DE3142448C2 - MOS-Transistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine auf einer Isolierschicht (120) ausgebildete und eine Substratelektrode aufweisende MOS-Halbleitervorrichtung. Eine erste Halbleiterschicht zur Bildung eines MOS-Elements ist auf der Isolierschicht (120) ausgebildet und weist eine Substratzone (128) auf, an welcher ein Kanal geformt werden soll. Mit dieser Substratzone (128) ist eine zweite Halbleiterschicht (138) verbunden, die dünner ist als die erste Halbleiterschicht und welche denselben Leitungstyp besitzt wie die Substratzone (128), an welcher der Kanal geformt werden soll.
Description
Die Erfindung betrifft einen MOS-Transistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren
zur Herstellung dieses MOS-Transistors.
Um einen großintegrierten MOS-Schaltkreis (LSI-MOS-Schaltkreis)
mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit betreiben oder die Packungsdichte erhöhen zu können,
ist es vorteilhaft, einen MOS-Transistor auf einem Z1 B.
aus Saphir oder Spinell bestehenden, isolierenden Substrat auszubilden. Als Halbleitervorrichtung dieser Art
wird allgemein ein LSI-MOS-Schaltkreis des SOS-Aufbaus
verwendet, bei dem ein MOS-Transistor auf einef Siliziumschicht ausgebildet ist, die ihrerseits auf einem
Saphirsubstrat angeordnet ist F i g. 1 zeigt in Aufsicht einen p-Kanal-Transistor des SOS-Aufbaus, während
Fi g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in Fi g. 1 zeigt
Auf einem Saphirsubstrat 20 ist dabei eine Siliziumschicht ausgebildet, die zu Isolierzwecken vollkommen
mit einer Feldisolierschicht 22 bedeckt ist und die aus einer eine Elementzone bildenden Halbleiterschicht 24
sowie p+'DiffusionsanschluBschichten 26a und 266 besteht,
die am Ende der Halbleiterschicht 24 in Richtung der Kanallänge verlaufen. In der Halbleiterschicht 24
sind eine p+-Sourcezone 30 und eine p+-Drainzone 32
mit einer dazwischen angeordneten n--SubstratzonEi 28, in welcher der Kanal vorgesehen werden soll, ausgebildet.
Die Sourcezone 30 ist mit der p+-Diffusionsanschlußschicht
26a verbunden, während die Drainzone 32 mit der p-^-Diffusionsanschlußschicht 26b verbunden
ist. Auf der Substratzone 28 ist unter Zwischenfügung einer Gateoxidschicht 34 aus Siliziumoxid eine Gateelektrode
36 ausgebildet.
Da bei einer MOS-Halbleitervorrichtung des SOS-Aufbaus
der beschriebenen Art (im folgenden auch einfach als SOS/MOS-Halbleitervorrichtung bezeichnet)
die einzelnen Halbleiterschichten 24 durch das isolierende Substrat 20 aus Saphir voneinander getrennt sind, ist
die Diffusionskapazität der bzw. jeder Halbleiterschicht 24 außerordentlich klein. Außerdem sind auch die Kapazitäten
der Diffusionsanschlußschichten 26a und 266 äußerst klein. Infolgedessen wird ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb
der Halbleiterbauelemente möglich. Da die Halbleiterbauelemente gegeneinander isoliert und voneinander
getrennt sind, braucht im Fall einer CMOS-Halbleitervorrichtung keine Wannendiffusionsschicht
ausgebildet zu werden. Hierdurch wird die sogenannte Schalt- bzw. Latch-up-Erscheinung auch dann verhindert,
wenn der Abstand zwischen den Halbleiterbauelementen klein ist. Da die Diffusionsanschlußschichten
26a und 266 von den Diffusionsanschlußschichten anderer Halbleiterbauelemente durch Isolatoren eetrennt
sind, tritt eine Durchgreiferscheinung nicht auf, wenn diese Diffusionsanschlußschichten dicht nebeneinander
liegen. Die Halbleiterbauelemente können somit mit großer Packungsdichte vorgesehen werden.
Eine SOS-MOS-Halbleitervorrichtung besitzt die
vorstehend geschilderten Vorteile sowie die im folgenden zu erläuternden Nachteile. Wie aus den F i g. 1 und 2
hervorgeht, wird bei einer SOS/MOS-Halbleitervorrichtung
im allgemeinen keine Substratelektrode vorgesehen, weil sie schwierig auszubilden ist Aus diesem
Grund ist ζ B. bei einem p-Kanal-Transistor gemäß
F i g. 1 und 2 das Potential an der n--Typ-Zone (im folgenden als Substratzone bezeichnet) unter der Gateelektrode
36, wo der Kanal entstehen soll, instabil, wodurch der sog. »Floating-Substrate«-Effekt hervorgerufen
wird, bei dem die Substratzone ein schwimmendes bzw. erdfreies Potential besitzt Wenn zwischen Drainzone 32 und Substratzone 28 ein Streustrom fließt wird
in der Substratzone 28 eine Ladung gespeichert, so daß die Substratzone 28 gegenüber der Sourcezone in
Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen wird die Schwellenwert herabgesetzt und der Transistor vermag
möglicherweise nicht zu sperren. Weiterhin erfährt dabei die Spannungs-Strom-Kurve des Transistors einen
Knick, wobei abnormale Stromflüsse den Betrieb des Transistors instabil machen.
Im Falle eines n-Kanal-Transistors tritt die sog. Ladungspumperscheinung
auf, bei welcher beim Sperren des Transistors Kanalelektronen in der Substratzone
verbleiben. Hierbei wird eine Gegen- bzw. Sperrvorspannung über Substrat- und Sourcezone induziert Die
Schwellenwertspannung des Transistors wird durch die Gate-Rückwärtsspannung, die durch die Sperrvorspannung
hervorgerufen wird, erhöht Da der Gegenwirkleitwert gm herabgesetzt wird, hängt die Betriebsverzögerungszeit
von der Frequenz ab.
Zur Vermeidung dieser Nachteile, die bei einer SOS/ MOS-Halbleitervorrichtung aufgrund des »Floating-Substrate«-Effekts
auftreten können, wurde bereits ein -in den Fig.3 und 4 dargestellter SOS/MOS-Transistor
entwickelt, bei dem sich eine Substratanschlußschicht 38 von der Substratzone 28 in Richtung der Kanalbreite
erstreckt. Über die in der Substratanschlußschicht 38 ausgebildete Substratelektrode wird der Substratzone
28 ein konstantes Potential zugeführt. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen dabei einen p-Kanal-Transistor mit
Substratelektrode in Aufsicht bzw. im Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig.3. Die Substratanschlußschicht 38
besteht aus η+-Typ-Silizium.
Bei einem bisherigen SOS/MOS-Transistor, bei dem die Substratelektrode die Form gemäß Fig.3 besitzt,
endet die Gateelektrode 36 in einem etwas außerhalb des Endteils der Elementzone 24 gelegenen Teil, während
der Endteil 40 der Gateelektrode 36 erweitert ist, so daß die Substratanschlußschicht unter Verwendung
der Gateelektrode 36 als Maske mit Selbstausrichtung geformt werden kann. Die Breite des Endteils 40 der
Gateelektrode 36 ist aus den im folgenden zu beschreibenden Gründen erweitert
Die Musterbildung der Gateelektrode 36 erfolgt nach Photolithographieverfahren. Wenn dabei in der Maskenausrichtung
ein Fehler auftritt, erhält die Gateelektrode 36 eine Fehlausrichtung. Wenn der Endteil der
Gateelektrode nicht erweitert wäre, würde dabei die in Fig. 5 dargestellte Gateelektrode 36a entstehen. Anschließend
wird die Anordnung unter Verwendung der Gateelektrode 36a als Maske mit einem p-Typ-Fremdatom,
wie Bor, dotiert, um eine p+-Sourcezone 30a und eine ρ+-Drainzone 32a auszubilden. Weiterhin wird zur
Ausbildung einer n+-Substratanschlußschicht 38a mit einem n-Typ-Fremdatom, wie Phosphor, dotiert F i g. 6
veranschaulicht eine Elementzone 24a und die Substratanschlußschicht 38a bei entfernter Gateelektrode 36a
und Isolierschicht Die Sourcezone 30a und die Drainzone 32a, die durch Dotieren mit einem Fremdatom unter
Verwendung der Gateelektrode 36a als Maske hergestellt worden sind, sind vom ρ+-Typ. Da andererseits die
Elementzone 34a vor der Ausbildung von Sourcezone 30a und Drainzone 32a mit dem n-Typ-Fremdatom dotiert
wird, um der Elementzone den n~-Typ zu verleihen,
besitzt eine Substratzone 28a unter der Gateelektrode 36a, wo der Kanal entstehen soll, den n~-Typ. Die
Substratanschlußschicht 38a ist — wie erwähnt — vom n+-Typ. Bei einer Fehlausrichtung der Gateelektrode
36a bilden die p+-Drainzone 32a und die n+-Substratanschlußschicht
38a in einem Teil oder Bereich A eine direkte Sperrschicht bzw. einen direkten Übergang. Da
die Sperrschichtkapazität durch die ρ+-n+-Sperrschicht hoher Konzentration beträchtlich vergrößert ist wird
die Betriebsgeschwindigkeit des Halbleiterelements herabgesetzt.
Wenn dagegen ein Endbereich 40 der Gateelektrode 36 auf die in F i g. 3 dargestellte Art erweitert wird, werden
die Elementzone 24a und die Substratanschlußschicht 38a gemäß F i g. 7 auch dann geformt wenn die
Gateelektrode 36 mit einer Fehlausrichtung ausgebildet wird. Da hierbei der Endbereich 40 der Gateelektrode
36 erweitert bzw. verbreitert ist und bei der Ausbildung der ρ+-Sourcezone 30a sowie der ρ+-Drainzone. 32a
durch Dotieren mit einem Fremdatom als Maske benutzt wird, führt die Fehlausrichtung der Gateelektrode
36 nicht zur Entstehung einer direkten Sperrschicht zwischen der ρ+-Drainzone 32a und der η+-Substratanschlußschicht
38a. Da hierbei auch keine ρ+-n+-Sperrschicht bzw. -Übergang hoher Konzentration entsteht,
kann die erwähnte erhebliche Vergrößerung der Sperrschichtkapazität vermieden werden. Obgleich die Übergangs-
bzw. Sperrschichtbereiche zwischen Sourcezone 30a und Substratzone 28a sowie zwischen Drainzone
32a und Substratzone 28a erweitert sind, handelt es sich hierbei um ρ+-n~-Sperrschichten bzw. -Übergänge. Die
Kapazität ist in diesem Fall wesentlich kleiner als die Sperrschichtkapazität der beschriebenen p+-n+-Sperrschicht
mit hoher Konzentration.
Aus den erwähnten Gründen wird der Endteil bzw. Endbereich 40 der Gateelektrode 36 beim bisherigen
SOS/MOS-Transistor mit ausgebildeter Substratelektrode verbreitert. Diese Verbreiterung ruft jedoch unter
anderem die folgenden Probleme hervor:
Da die Kanallänge L'der Elementzone 24a, in welcher
die Breite der Gateelektrode vergrößert ist, länger ist als die Kanallänge L der Elementzone, in
welcher die Gateelektrode nicht verbreitert ist, ist die Kanallänge über die gesamte Elementzone hinweg
nicht konstant. Aus diesem Grund lassen sich die gewünschten Eigenschaften der Halbleiterbauelemente
nicht erzielen.
Da die Oberfläche des Endbereichs 40 der Gateelektrode vergrößert ist, erhöht sich die Kapazität
der Gateelektrode. Die Breite (Kanallänge) des picht erweiterten Teils der Gateelektrode eines
SOS/MOS-Transistors dieser Art beträgt im allgemeinen etwa 2 μιη. Die Breite des Endbereichs 40
der Gateelektrode beträgt hierbei jedoch 8—10 μητι. Die Kapazität der Gateelektrode kann
sich infolgedessen aufgrund des Endbereichs 40 in einem erheblichen Ausmaß vergrößern.
3. Durch die Erweiterung des Endbereichs 40 der Gateelektrode vergrößert sich die Oberfläche des
Halbleiterbauelements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen MOS-Transistor der in Verbindung mit den F i g. 1
bis 6 näher beschriebenen Art anzugeben, bei dem eine Erhöhung der Sperrschichtkapazität zwischen der Substratanschlußschicht
und der Source- bzw. der Drainzone auch bei Fehlausrichtung der für die Herstellung der
Gateelektrodenzuleitung bzw. der Source- und Drainzone verwendeten Maske nicht eintritt.
Diese Aufgabe wird bei einem MOS-Transistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß
durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses MOS-Transistors sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben,
während Patentanspruch 6 ein zweckmäßiges Verfahren zu seiner Herstellung beschreibt.
Die Substratelektrode kann ohne Erweiterung des Endbereichs der Gateelektrode ausgebildet werden.
Hierbei kann auch eine Erhöhung der Übergangs- bzw. Sperrschichtkapazität vermieden werden, die auf die
hochkonzentrierte Sperrschicht zurückzuführen ist, welche aufgrund einer Fehlausrichtung der Gateelektrode
(F i g. 5 und 6) entsteht.
Da weiterhin die Kanallänge über die gesamte Elementzone hinweg konstant sein kann, lassen sich stabile
und wünschenswerte Eigenschaften des Transistors erzielen.
Da die Fläche der Gateelektrode nicht vergrößert zu werden braucht, kann eine Vergrößerung der Gateelektroden-Kapazität
und der notwendigen Fläche verhindert werden.
Da weiterhin die Anschlußschicht, welche die Gateelektrode bildet, kein solches Muster zu besitzen
braucht, daß sie an einer bestimmten Stelle endet, läßt
sich auch eine höhere Integrationsdichte erzielen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig.! eine Teüaufsicht auf einen p-Kana!-Transistor
einer bisherigen SOS/MOS-Halbleitervorrichtung,
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in F i g. 1,
F i g. 3 eine Teüaufsicht auf einen p-Kanal-Transistor
einer anderen SOS/MOS-Halbleitervorrichtung, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3,
F i g. 5 eine Aufsicht auf einen p-Kana!-Transistor, bei dem eine Gateelektrode ohne erweiterten Endbereich
fehlausgerichtet ist,
F i g. 6 eine Aufsicht auf das Halbleitersubstrat nach F i g. 5 (mit weggelassener Gateelelektrode und Isolierschicht),
wobei das Halbleitersubstrat zur Ausbildung von Source- und Drainzonen mit einem Fremdatom dotiert
ist,
F i g. 7 eine Aufsicht auf ein Halbleitersubstrat, bei
dem eine Gateelektrode mit erweitertem Endbereich fehlausgerichtet ist,
F i g. 8 eine Aufsicht auf einen n-Kanal-MOS-Transistor
gemäß der Erfindung,
F i g. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in F i g. 8, F i g. 10 einen Schnitt längs der Linie X-X in F i g. 8,
Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI in F i g. 3,
Fi g. 12A bis 12G Schnittansichten des Halbleitersubstrats
des SOS/MOS-Transistors gemäß F i g. 8 zur Veranschaulichung eines Herstellungsverfahrens,
Fig. 13 eine Aufsicht auf einen anderen n-Karial-MOS-Transistor
gemäß der Erfindung und
Fig. 14 ein Schaltbild eines integrierten SOS/MOS-Schaltkreises
(SOS/MOSIC) als Anwendungsbeisp^tel
für den erfindungsgemäßen SOS/MOS-Transistor.
Die F i g. 1 bis 7 sind eingangs bereits erläutert worden.
Fig.8 ist eine Aufsicht auf einen n-Kanal-Transistor
eines großintegrierten SOS/MOS-Schaltkreises. Dabei ist auf einem Saphirsubstrat 120 eine 0,6 μηι dicke Halbleiterschicht
124 ausgebildet, die eine Silizium-Inselschicht
umfaßt und in welcher ein n-Kanal-Transistor vorgesehen ist. Die Elementzone 124 und das sie umgebende
Gebilde sind im folgenden anhand von Fig.9 erläutert, die einen Schnitt längs der Linie IX-IX in
F i g. 8 zeigt. Die Elelementzone 124 ist mit einer Isolierschicht 122 aus S1O2 bedeckt, und sie besteht aus einer
p--Substratzone 128 zur Bildung eines Kanals, die mit Bor in einer Konzentration von 10l6/cm3 dotiert ist, sowie
einer n+-Sourcezone 130 und einer n+-Drainzone
132, die mit Arsen in einer Konzentration von 1019 bis 1020/cm3 dotiert ist bzw. sind. Ein Gateelektroden-Anschluß
136 aus polykristallinem Silizium ist auf der Substratzone 128 unter Zwischenfügung einer 50 nm dicken
Gateoxidschicht 134 aus Siliziumoxid ausgebildet Der Gateelektroden-Anschluß 136 bildet die Gateelektrode
des MOS-Transistors. Der Anschluß 136 ist durch die Isolierschicht 122 abgedeckt. Auf der Isolierschicht 122
sind Aluminiumleiterzüge 146 und 148 ausgebildet, die über der Isolierschicht 122 vorgesehene Kontaktlöcher
142 bzw. 144 in ohmschem Kontakt mit Sourcezone 130 bzw. Drainzone 132 stehen.
Gemäß F i g. 8 ist auf dem Saphirsubstrat 120 zusätz-Hch
zur Elementzone 124 eine Substratanschlußschicht 138 aus Silizium ausgebildet, die im folgenden anhand
von F i g. 10 erläutert werden soll, welche einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig.8 zeigt Die Substratanschlußschicht
138 umfaßt eine Silizium-Inselschicht von 03 μπι Dicke. Die Dicke dieser Schicht 138 beträgt somit
die Hälfte der Dicke der Elementzone 124 (mit einer Dicke von 0,6 μπι). Die Substratanschlußschicht 138 ist
mit Bor in einer Konzentration von lO'Vcm3 dotiert, So
daß ihre Fremdatomkonzentration niedriger ist als diejenige %'on 1019 bis 1020/cm3 von Source- und Drainzone
130 bzw. 132, jedoch höher als die Fremdatomkonzentration von 1016/cm3 der Substratzone 128. Die Substratanschlußschicht
138 besitzt denselben Leitungstyp wie die Substratzone, jedoch eine höhere Fremdatomkonzentration.
Die Substratanschlußschicht 138 besitzt jedoch gegenüber der Sourcezone 130 und Drainzone
132 den entgegengesetzten Leitungstyp und eine niedrigere Fremdatomkonzentration. Die Substratanschlußschicht
138 ist einstückig bzw. materialeinheitlich in der Elementzone 124 ausgebildet, um sich von der Endoder
Stirnfläche der p--Substratzone 128 in Richtung der Kanalbreite zu erstrecken. Die Substratanschlußschicht
138 ist zudem mit einer Isolierschicht 122a aus S1O2 bedeckt Der Gateelektroden-Anschluß 136 ist auf
der Substratanschlußschicht 138 unter Zwischenfügung dieser Isolierschicht 122a ausgebildet Da hierbei die
Dicke der Elementzone 124 0,6 μπι beträgt, betragen die
Dicken der Gateoxidschicht 134 50 nm und der Substratanschlußschicht
138 03 μπι, wobei die Isolierschicht
122a mit einer ausreichend großen Dicke von 035 μπι zwischen die Substratanschlußschicht 138 und den Gateelektroden-Anschluß
136 eingefügt ist
Die Substratanschlußschicht 138 erstreckt sich über
Die Substratanschlußschicht 138 erstreckt sich über
eine gewisse Länge von der Endfläche der Substratzone 128 in Richtung der Kanalbreite und anschließend in
Richtung der Kanallänge, so daß sie insgesamt eine L-förmige Gestalt besitzt. Das andere Ende dieser Schicht
138 ist mit einer auf dem Saphirsubstrat 120 ausgebildeten Substratklemmenzone 150 verbunden. Diese Anordnung
ist anhand von Fig. 11 näher erläutert. Die Substratklemmenzone 150 umfaßt eine Silizium-Inselschicht,
die auf dem Saphirsubstrat 120 einstückig bzw. materialeinheitlich mit der Elementzone 124 und der
Substratanschlußschicht 138 ausgebildet ist und eine Dicke von 0,6 μίτι, entsprechend der Dicke der Elementzone
124, besitzt. Diese Substratklemmenzone 150 ist eine p+-Zone, die Bor in einer Konzentration von 1019
bis 102O/cm3 besitzt. Die Substratklemmenzone 150 ist
mit der beschriebenen Isolierschicht 122a bedeckt. Auf der Substratklemmenzone 150 sind außerdem nicht dargestellte
Aluminiumleiterzüge vorgesehen, die über die Kontaktlöcher ohmsche Kontakte herstellen.
Da bei dem n-Kanal-Transistor mit dem beschriebenen Aufbau ein konstantes Potential über die Substratanschlußschicht
138 der Substratzone 128 geführt wird, können die auf dem »Floating Substrate«-Effekt zurückzuführenden
Probleme nicht auftreten.
Die Dicke der Substratanschlußschicht 138 ist ausreichend kleiner als diejenige der Elementzone 124. Selbst
wenn in diesem Fall bei der Ausbildung des Gateelektroden-Anschlusses 136 eine Fehlausrichtung auftritt
und dabei Sourcezone 138 oder Drainzone 132 mit der Substratanschlußschicht 138 verbunden wird, ist die
Vergrößerung der Sperrschichtkapazität aufgrund der kleinen Übergangs- bzw. Sperrschichtfläche gering. Da
weiterhin die Fremdatomkonzentration der Substratanschlußschicht 138 geringer ist als diejenige von Sourcezone
130 oder Drainzone 132, ist die Sperrschichtkapazität der gebildeten Sperrschicht klein. Da es hierbei im
Gegensatz zum bisherigen SOS-MOS-Transistor gemäß F i g. 3 nicht nötig ist, den Endbereich 40 der Gateelektrode
36 zu verbreitern, kann die Kanallänge L über die gesamte Elementzone 124 hinweg konstant sein. Aus
diesem Grund lassen sich wünschenswerte und vorteilhafte Eigenschaften des Transistors erzielen. Da die Gateelektrode
in einer allgemeinen Form ausgebildet werden kann, läßt sich eine Vergrößerung der Kapazität der
Gateelektrode vermeiden. Weiterhin entfällt auch die Vergrößerung der notwendigen Fläche infolge einer Erweiterung
der Gateelektrode 36.
Indem die Substratanschlußschicht 138 dünn ausgelegt
wird, kann die Isolierschicht 122a auf dieser Schicht 138 ausreichend dick ausgebildet sein. Auch wenn hierbei
der Gateelektroden-Anschluß 136 so geformt wird, daß er von der Gateelektrode des MOS-Transistors abgeht
ist die Gateelektrodenkapazität zwischen der Substratanschlußschicht 138 und dem Gateelektroden-Anschluß
136 praktisch vernachlässigbar. Wenn beispielsweise die Substratanschlußschicht 138 mit derselben
Dicke wie die Elementzone 124 ausgelegt und der Gateelektroden-Anschluß 136 parallel zur Substratanschlußschicht
138 ausgebildet wird, erhält die Isolierschicht 122a eine Dicke von 50 nm, welche der Dicke
der Gateoxidschicht 134 entspricht Da bei dieser Ausführungsform die Isolierschicht 122a eine Dicke von
0,35 μΐη besitzt beträgt die Gateelektrodenkapazität
500
3500
3500
K)
65
derjenigen der vorher beschriebenen Anordnung. Aus diesem Grund ist es möglich, den Gateelektroden-Anschluß
136 zu verlängern, ohne ihn am Endteil der Elementzone 124 enden zu lassen, wie dies bei der bisherigen
SOS-MOS-Vorrichtung gemäß Fig.3 der Fall ist. Die Isolierschicht 122a braucht nur mit einer solchen
Dicke ausgebildet zu sein, daß die gesamte Substratanschlußschicht nicht verarmt wird und in dieser Schicht
bei der Anlegung einer Spannung an den Gateelektroden-Anschluß 136 keine Inversionsschicht entsteht. Die
Dicke der Substratanschlußschicht 138 und diejenige der Isolierschicht 122a können somit in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen des Transistors gewählt werden, und zwar unter Berücksichtigung der vorstehenden
Einzelheiten.
Bei der beschriebenen Ausführungsform entspricht die Dicke der Substratklemmenzone 150 derjenigen der
Elementzone 124, um die nicht dargestellten, mit der Substratklemmenzone 150 in ohmschem Kontakt stehenden
Aluminiumleiterzüge im selben Arbeitsgang ausbilden zu können, in welchem die an Sourcezone 130
und Drainzone 132 angeschlossenen Aluminiumleiterzüge 146 bzw. 148 geformt werden.
Das Verfahren zur Herstellung des MOS-Transistors gemäß Fig.8 bis 11 ist im folgenden anhand von
Fig. 12A bis 12G erläutert. Gemäß Fig. 12A wird zunächst
auf dem Saphirsubstrat 120 eine epitaxiale Siliziumschicht 160 mit einer Dicke von 0,6 μπι gezüchtet.
Die Oberfläche der Siliziumschicht 160 wird thermisch oxidiert, um eine SiO2-Schicht 162 mit einer Dicke von
0,02 μπι auszubilden. Nach der Ausbildung einer Siliziumnitridschicht
auf der Gesamtoberfläche des Halbleitersubstrats wird auf dieser Schicht ein Abdeckmuster
164 vorgesehen. Die Siliziumnitridschicht wird unter Verwendung dieses Abdeckmusters 164 als Maske selektiv
geätzt, um ein Siliziumnitridmuster 166 in einem Bereich auszubilden, in welchem die Elementzone, die
Substratanschlußschicht und die Substratklemmenzone geformt werden sollen.
Sodann werden gemäß F i g. 12B die SiO2-Schicht 162
und die Siliziumschicht 160 unter Verwendung des Abdeckmusters 164 als Maske selektiv geätzt, um die Dikke
des nicht-maskierten Teils der Siliziumschicht 160 auf 0,25 μπι einzustellen. Danach wird das Abdeckmuster
164 entfernt
Gemäß Fig. 12C wird hierauf das Halbleitersubstrat
unter Verwendung des Siliziumnitridmusters 166 als Antioxidationsmaske in einer Wasserdampfatmosphäre
von 9000C selektiv oxidiert Während dieses Vorgangs
wird der nicht-maskierte Teil der Siliziumschicht 60 bis zu seiner Grenze mit dem Saphirsubstrat 120 oxidiert,
so daß eine Feldisolierschicht 168 mit einer Dicke von etwa 0,6 μπι entsteht Die von der Feldisolierschicht 168
umschlossene Siliziumschicht 160 wird zu einer Siliziuminsel 170.
Gemäß F i g. 12D wird hierauf ein Abdeckmuster 172 auf dem Siliziumnitridmuster 166 vorgesehen, und letzteres
wird unter Verwendung des Abdeckmusters 172 als Maske selektiv geätzt um ein Siliziumnitridmuster
174 herzustellen, das nur auf der Elementzone und der Substratklemmenzone zurückbleibt
Gemäß F i g. 12E werden danach die SiO2-Schicht 162
und die Siliziuminsel 170 unter Verwendung des Abdeckmusters 172 als Maske selektiv geätzt, um die Dikke
des unmaskierten Teils der Siliziuminsel 170, wo die Substratanschlußschicht ausgebildet werden soll, auf etwa
0,45 μπι einzustellen. Anschließend wird unter Verwendung
des Abdeckmusters 172 als Maske eine Ionenimplantation von Bor in einer Dosis von 5 χ 1012/cm-2
vorgenommen. Der der Ionenimplantation unterworfene Teil 176 der Siliziuminsel 170 wird einen nachfolgenden
Glüh- bzw. Anlaßschritt aktiviert, um ihm den ρ+-Leitungstyp zu verleihen.
Nach Abtragung des Abdeckmusters 172 wird gemäß Fig. 12F der der Ionenimplantation unterworfene Teil
176, d. h. die p+-Zone 176 der Siliziuminsel 170, unter
Verwendung des Siliziumnitridmusters 174 als Antioxidationsmaske in einer Wasserdampfatmosphäre von
900° C selektiv oxidiert. Hierbei entsteht eine 0,3 μηι dikke
Substratanschlußschicht 138, auf welcher eine 0,35 μπι dicke Feldisolierschicht 122a aus S1O2 ausgebildet
ist. Der von der Substratanschlußschicht 138 verschiedene Teil der Siliziuminsel bildet die Elementzone
124 von 0,6 μπι Dicke sowie die nicht dargestellte, mit
der Schicht 138 verbundene Substratklemmenzone von 0,6 μπι Dicke.
Gemäß F i g. 12G erfolgt schließlich nach Abtragung des Siliziumnitridmusters 174 eine Ionenimplantation
von Bor in die Elementzone 124, um diese in eine p+-Zone mit niedriger Fremdatomkonzentration umzuwandeln.
Außerdem wird Bor durch Ionenimplantation in hoher Konzentration in die nicht dargestellte Substratklemmenzone
implantiert, um letztere zu einer ρ+-Zone umzuwandeln. Schließlich wird in an sich bekannter
Weise der Gateelektroden-Anschluß 136 auf der Substratanschlußschicht 138 und dem Teil der Elementzone
124 ausgebildet, in welchem die Substratzone geformt werden soll. Sodann erfolgt unter Verwendung des Gateelektrodenleiterzugs
136 als Maske eine Dotierung mit Arsen, um die η+-Sourcezone und die η+-Drainzone
auszubilden. Die durch den Gateelektroden-Anschluß 136 maskierte Fläche der Elementzone 124 wird zur
Substratzone 128. Daraufhin wird durch chemisches Aufdampfen eine SiO2-Schicht 178 abgelagert. Nach der
Ausbildung von Kontaktlöchern wird im Vakuum eine Aluminiumschicht aufgedampft. Der Aluminiumschicht
wird ein solches Muster verliehen, daß sie Aluminiumleiterzüge bildet, worauf der MOS-Transistor fertiggestellt
ist.
Bei dem MOS-Transistor mit dem beschriebenen Aufbau können die Elementzone 124, die Substratanschlußschicht
138 und die Substratklemmenzone mittels Selbstausrichtung aus einer einzigen Siliziuminsel geformt
werden. Da weiterhin die Feldisolierschicht 122a dick ist, braucht auf der Feldisolierschicht 122a keine
Maske zur Ausbildung von Sourcezone und Drainzone in der Elementzone 124 vorgesehen zu werden.
In F i g. 13 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
MOS-Transistors dargestellt, bei welchem auf dem Saphirsubstrat 120 die Elementzone 124
aus der n+-Sourcezone 130, der n+-Drainzone 132 und der p--Substratzone 128 an der Stelle ausgebildet ist,
wo der Kanal gebildet werden soll. Die Sourcezone 130 ist über ein Kontaktloch 142 mit dem Aluminiumleiterzug
146 verbunden. Die Drainzone 132 ist über ein Kontaktloch 144 mit dem Aluminiumleiterzug 148 verbunden.
Die Substratzone 128 ist mit der ρ+-Substratanschlußschicht 138 verbunden, die dünner ist als die Elementzone
124. Die Substratanschlußschicht 138 erstreckt sich in Richtung der Kanallänge und grenzt mit
der einen Seitenfläche an die η+-Drainzone 132 an. Außerdem grenzt die Substratanschlußschicht 138 über einen
kleinen Bereich an die Sourcezone 130 an. Die Substratanschlußschicht 138 ist mit der p+-Substratklemmenzone
150 verbunden, welche dieselbe Dicke besitzt wie die Elementzone 124. Diese Zone 150 ist von der
Drainzone 132. die in hoher Konzentration mit einem Fremdatom dotiert ist, getrennt, so daß sie nicht an diese
Drainzone 132 angrenzt bzw. anschließt. Der Gateelektroden-Anschluß 136 ist auf der Substratzone 128 und
der Substratanschlußschicht 138 mit dazwischen befirldlicher Isolierschicht ausgebildet.
Obgleich an den Grenzen zwischen Sdbstratanschlußschicht
138 sowie Sourcezone 130 bzw. Drainzone 132 p+-n+-Übergänge hoher Fremdatomkonzentration
gebildet werden, sind die Sperrschichtflächen klein, weil die Dicke der Substratanschlußschicht 138 ausreichend
klein ist. Infolgedessen ist die Sperrschichtkapazität klein, so daß sie keine Problem aufwirft. Die Sperrschichtkapazität
wird dadurch weiter herabgesetzt, daß die Fremdatomkonzentration in der Substratanschlußschicht
138 höher gewählt wird als in der Substratzone 128, aber niedriger als in der Drainzone 132 oder in der
Sourcezone 130.
Obgleich die Erfindung vorstehend anhand eines n-Kanal-MOS-Transistors
beschrieben ist, ist sie gleichermaßen auf einem p-Kanal-Transistor oder einen n- oder
p-Kanal-MOS-Umschaltkondensator anwendbar.
Anstelle des Saphirsubstrats kann auch ein anderes isolierendes Substrat verwendet werden. Die Erfindung
ist auch auf den Fall anwendbar, in welchem ein MOS-Transistor auf einer Isolierschicht aus z. B, S1O2 oder
Si3N4 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird.
Ein tatsächliches Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen MOS-Transistor wird im folgenden anhand
von Fig. 14 beschrieben. Dabei ist ein S^eicherknotenpunkt
Q einer Speicherzelle M mit einer Flip-Flop-Schaltung über einen Datenübertragungstransistor
Π mit einer Ziffernleitung D verbunden. Ein Speicherknoten
(?der Speicherzelle Mist über einen Datenübertragungstransistor
7"2 mit einer Ziffernleitung D verbunden. Die Gateelektroden der Datenübertragungstransistoren
Ti und T2 sind mit einet* Wortieitung
W verbunden, während die Substratzonen der Datenübertragungstransistoren
Tl und T2 beide an Masse liegen.
Da bei dieser Konfiguration das Substratpotential der Datenübertragungstransistoren Ti und T2 konstant ist,
kann der »Floating Substrate«-Effekt dieser beiden Transistoren Ti und T2 verhindert werden.
Infolgedessen werden Schwankungen des Ausgangspegels der Transistoren Ti und 7"2 aufgrund ihrer Hysterese
vermieden. Außerdem kann bei der Ausbildung der Substratelektroden der Transistoren Ti und T2
eine Vergrößerung der notwendigen Fläche auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. In gleichen Maßen
können auch Vergrößerungen der Zahl der Speicherzellenanordnungen sowie der Verdrahtungskapazität der
Wortleitung W auf ein Mindestmaß "herabgesetzt werden. Indem das Substratpotential der Transistoren Ti
und T2 an Masse gelegt ist, wird eine wesentliche Erhöhung der elektrostatischen Kapazität der Ziffernleitung
infolge des »Floating Substrate«-Effekts der Datenübertragungstransistoren
Ti und T2 verhindert
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. MOS-Transistor mit
einer Isolierschicht (120),
einer Isolierschicht (120),
einer Halbleiterschicht (124), die auf der Isolierschicht
(120) ausgebildet ist und eine Substratzone (128) des einen Leitungstyps, in welcher im Betrieb
der Kanal des MOS-Transistors gebildet wird, sowie zwei Fremdstoffzonen (130, 132) des entgegengesetzten
Leitungstyps als Source- und Drainzonen des MOS-Transistors aufweist,
einer auf einer Substratzone (128) unter Zwischenfügung eines Isolierfilms (134) ausgebildeten Gate-Elektrode (136), und
einer auf einer Substratzone (128) unter Zwischenfügung eines Isolierfilms (134) ausgebildeten Gate-Elektrode (136), und
einer Substratanschlußschicht (138), die materialeinheitlich
mit der Halbleiterschicht (124) ausgebildet ist, sich von einer Endfläche der Substratzone (128)
in Richtung der Kanalbreite erstreckt, den Leitungstyp der Substratzone (128) aufweist, mit einer Isolierschicht
(122aJ bedeckt ist und im Betrieb zum Anlegen eines Potentials an die Substratzone (128)
dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlußschicht (138) dünner als die Halbleiterschicht
(124) ist
2. MOS-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlußschicht (138)
eine höhere Fremdatomkonzentration als die Substratzone (128), jedoch eine niedrigere Fremdatomkonzentration
als die Source- und Drainzone (130, 132) besitzt.
3. MOS-Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Elektrodenzuleitung
(136) des MOS-Transistors über die Isolierschicht (122a; auf der Substratanschlußschicht (138)
erstreckt und daß diese Isolierschicht (122a,) eine solche Dicke besitzt, daß bei Anlegung einer Arbeitsspannung an die Elektrodenzuleitung (136) des
MOS-Transistors in der gesamten Substratanschlußschicht (138) keine Verarmung und auch keine Inversionsschicht
in Richtung der Dicke der Substratanschlußschicht (138) auftritt.
4. MOS-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht
(124) und die Substratanschlußschicht (138) unter Bildung einer Insel(zone) von einem Isolator
(122) umgeben sind.
5. MOS-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des mit
der Halbleiterschicht (124) verbundenen Teils der Substratanschlußschicht (138) größer ist als die Kanallänge
der Substratzone (128).
6. Verfahren zur Herstellung eines MOS-Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß auf einer Isolierschicht (120) eine Halbleiterschicht (160) ausgebildet wird, daß auf
letzterer eine erste Antioxidationsmaske (166) geformt wird, daß die Halbleiterschicht (160) unter Benutzung
der ersten Antioxidationsmaske zur Bildung einer Silizium-Insel(zone) (170) selektiv oxidiert
wird, daß die erste Antioxidationsmaske von dem für die Bildung der Substratanschlußschicht bestimmten
Teil der Silizium-Insel (170) entfernt wird, daß dieser Teil mit einem Fremdatom des einen Leitungstyps
dotiert wird und unter Verwendung des auf dem für den MOS-Transistor bestimmten Bereich
(124) der Silizium-Insel (170) verbliebenen Teils (174) selektiv oxidiert wird, um den nicht mas-
kierten Teil ausreichend dünner als den für den MOS-Transistor bestimmten Bereich auszubilden
und gleichzeitig eine dicke Oxidschicht (122a,) auf dem nicht maskierten Teil zu formen, daß der für den
MOS-Transistor bestimmte Bereich (124) mit einem Fremdatom des einen Leitungstyps dotiert wird,-daß
auf der Silizium-Insel unter Zwischenfügung einer Gateoxidschicht ein Gateelektrodenleiterzug (136)
ausgebildet wird und daß der für den MOS-Transistor bestimmte Bereich (124) unter Verwendung des
Gateelektrodenleiterzugs als Maske mit einem Fremdatom den entgegengesetzten Leitungstyps
dotiert wird, um eine Source-Zone (130) und eine Drain-Zone (132) auszubilden.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA, KAWASAKI, KANAGAWA, JP |
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