DE3636249A1 - Verfahren zum herstellen eines mos-feldeffekttransistors und danach hergestellter transistor - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines mos-feldeffekttransistors und danach hergestellter transistorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
MOS-Feldeffekttransistors (MOS-FET) mit einer Hauptfläche,
einem auf der Hauptfläche gebildeten isolierten Gate (Isoliergate)
und angrenzend an das Gate gebildeten Source- und
Drainzonen. Sie bezieht sich ferner auf einen MOS-Feldeffekttransistor
mit einem eine Hauptfläche besitzenden Körper,
einem isolierten Gate auf der Hauptfläche, Source- und
Drainzonen in dem Körper angrenzend an das Gate, die sich
von der Hauptfläche aus bis zu einer vorgegebenen Tiefe in
den Körper hineinerstrecken und zum Definieren einer Kanalzone
zwischen ihnen auf Abstand gesetzt sind.
Eine höhere Packungsdichte in einer integrierten Schaltung
wird im allgemeinen durch Verminderung der Größe der Einzelkomponenten
und damit durch Verminderung der Übergangstiefen
und anderer Dimensionen der Komponentenelemente erhalten.
Beim maßstäblichen Verkleinern von Feldeffekttansistoren
(FETs) muß die Übergangstiefe sehr klein gemacht werden,
um die unerwünschte Erscheinung des bekannten Durchgreifens
zu verhindern. Durch diese maßstäbliche Verminderung
der Dimensionen werden der Widerstand und/oder der
Flächenwiderstand der einzelnen Elemente vergrößert. Hieraus
ergibt sich eine Schwierigkeit mit relativ engen flachdotierten
Zonen, namentlich mit den Source- und Drainzonen
von MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), da es schwierig
ist, diese Zonen zu kontaktieren, und da der hohe Serienwiderstand
von Source und Drain den Ansteuerungsstrom vermindert
und damit die Leistungsfähigkeit des Bauelements verschlechtert.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Oberflächen
der Source- und Drainzonen zu silizieren, um den elektrischen
Widerstand der Zonen zu vermindern (vgl. US-PS 43 84 301).
Im Bekannten wird ein MOSFET beschrieben, dessen Kontaktoberflächen
von Source und Drain ein Metallsilizid enthalten.
Diese Struktur ist jedoch ebenfalls nicht ohne Probleme.
Der Kontaktwiderstand zwischen einem hitzebeständigen Metall
oder seinem Silizid und dem dotierten Silizium hängt
stark von der Dotierstoffkonzentration an der Silizid/Silizium-
Grenzfläche ab. Zum Herstellen eines Kontakts mit kleinem
Widerstand muß das Silizium an der Grenzfläche typisch
eine Dotierstoffkonzentration von etwa 1020 Atomen pro cm3
besitzen. Es ist im Grunde genommen unmöglich, sehr flache
Source- und Drainzonen mit einem so hohen Dotierstoffniveau
herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sehr flache PN-
Übergänge in MOS-VLSI-Vorrichtungen (VLSI = Very large Scale
Integration, integrierte Schaltung mit sehr hohem Integrationsgrad)
zu schaffen. Die erfindungsgemäße Lösung wird
für das eingangs genannte Verfahren im Patentanspruch 1 und
für den MOS-Feldeffekttransistor im Patentanspruch 11 beschrieben.
Der Feldeffekttransistor besitzt eine Hauptfläche, ein auf
der Hauptfläche gebildetes Isoliergate und angrenzend an
die Seitenwände des Gates gebildete Source- und Drainzonen,
die sich von der Hauptoberfläche aus bis zu einer Tiefe von
weniger als 100 Nanometern (nm) erstrecken. Das Verfahren
enthält folgende Schritte:
(a) Bilden des Isolierglases;
(b) Bilden der Source- und Drainzonen angrenzend an die Seitenwände des Gates, so daß die Zonen sich von der Hauptfläche aus bis zu einer Tiefe von weniger als etwa 100 nm erstrecken;
(c) Bilden einer Schutzschicht über dem ganzen Gate;
(d) Bilden einer Schicht aus einkristallinem Silizium auf den Oberflächen der Source- und Drainzonen;
(e) Dotieren der Siliziumschicht bis zu einer Tiefe etwa gleich ihrer Dicke;
(f) Bilden einer Schicht aus Metallsilizid auf der Siliziumschicht.
(a) Bilden des Isolierglases;
(b) Bilden der Source- und Drainzonen angrenzend an die Seitenwände des Gates, so daß die Zonen sich von der Hauptfläche aus bis zu einer Tiefe von weniger als etwa 100 nm erstrecken;
(c) Bilden einer Schutzschicht über dem ganzen Gate;
(d) Bilden einer Schicht aus einkristallinem Silizium auf den Oberflächen der Source- und Drainzonen;
(e) Dotieren der Siliziumschicht bis zu einer Tiefe etwa gleich ihrer Dicke;
(f) Bilden einer Schicht aus Metallsilizid auf der Siliziumschicht.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
ein sehr niedriger Flächenwiderstand für flache Source- und
Drainzonen mit einer Tiefe von nur 100 nm oder weniger
erhalten wird. Außerdem gibt es bei dem Verfahren keine
seitliche Diffusion von Verunreinigungen in die Kanalzone
des MOSFET, was dazu beiträgt, die endgültige Kanallänge
beim Herstellen kontrolliert sicherstellen zu können. Da
die aus Oxid bestehende Schutzschicht auf den Seitenwänden
des Gates relativ dick gemacht werden kann, läßt sich die
Kapazität der Seitenwände des Gates so kontrolliert einstellen,
daß sie nicht größer wird als bei bekannten MOSFETs.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die
Oberflächentopologie des Bauelements ziemlich flach bzw.
eben wird, weil bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
die Gate-Elektrode teilweise vergraben wird.
Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
werden Einzelheiten der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 Schnitte durch einen Teil einer Halbleitervorrichtung
in verschiedenen Herstellungsstufen; und
Fig. 6 bis 10 Schnitte durch ein anderes Halbleiterbauelement
ebenfalls in verschiedenen Herstellungsstufen.
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Fig. 1 bis
10 werden spezielle P- oder N-leitende Materialien bzw.
Zonen angegeben. Es handelt sich hierbei lediglich um Ausführungsbeispiele.
Natürlich sind Vorrichtungen mit umgekehrten
P- und N-Verteilungen in allen im vorliegenden Zusammenhang
wesentlichen Merkmalen gleichwertig.
In den Fig. 1 bis 5 wird ein Teil einer Halbleitervorrichtung
10 dargestellt, zu der ein Körper 12 aus einem Material
eines ersten Leitungstyps, z. B. aus leicht P-dotiertem
Silizium, mit einer ebenen Hauptfläche 14 gehört. Eine
relativ dünne Isolierschicht 16, z. B. aus Siliziumoxid,
wird nach Fig. 1 auf der ebenen Hauptfläche 14 vorgesehen.
Auf der Isolierschicht 16 wird in bekannter Weise ein Isoliergate
20 aus polykristallinem Silizium gebildet. Das
Isoliergate 20 soll im Ausführungsbeispiel hoch N-dotiert
sein und eine Länge von etwa 1 Mikrometer besitzen.
Die Vorrichtung 10 wird dann einer relativ niederenergetischen
Arsenimplantation 22 mit etwa 10 KeV bei einer Konzentration
von etwa 1012 Ionen/cm3 ausgesetzt. Diese niederenergetische
Implantation führt zur Bildung sehr flacher
Source- und Drainzonen 24 und 26 angrenzend an die Seitenwände
28 des Gates 20. Die Tiefe der Zonen 24 und 26 soll
von der Hauptfläche 14 aus um weniger als etwa 100 nm in
den Körper 12 reichen.
Anschließend wird eine Schutzschicht 40 aus Oxid in einer
aus Dampf bestehenden Atmosphäre bei einer Temperatur von
800 bis 900°C aufgewachsen. Da dieser Oxidationsprozeß zu
einer relativ dicken Oxidschicht auf einer hochdotierten
Siliziumoberfläche und einer dünneren Oxidschicht auf einer
schwach dotierten Siliziumoberfläche führt, wird die Schutzschicht
40 wesentlich dicker als die Isolierschicht 16.
Die Schutzschicht 40 soll bis zu einer Dicke von etwa 200 nm
bis 500 nm aufwachsen, während die auf der Hauptfläche
über den Source- und Drainzonen 24 bzw. 26 aufgebrachte
Oxidschicht 16 nicht dicker als etwa 40 nm bis 100 nm wird
(vgl. Fig. 2).
Die Vorrichtung 10 wird dann einer anisotropen Plasmaätzung
ausgesetzt, bis das gesamte Oxid der Isolierschicht 16 von
der Oberfläche 14 unmittelbar über den Source- und Drainzonen
24, 26 abgetragen ist. Das Oxid auf den Seitenwänden
28 und der Oberseite 42 des Gates 20 bleibt intakt und bedeckt
das Gate vollkommen, obwohl die Dicke des Oxids auf
der Oberseite nach Fig. 3 etwa reduziert wird.
Auf der Hauptfläche 14 des freiliegenden Siliziums unmittelbar
auf den Source- und Drainzonen 24, 26 wird in üblicher
Weise nach Fig. 4 eine Epitaxialschicht 15 aus einkristallinem
Silizium selektiv aufgewachsen. Die Epitaxialschicht
50 soll bis zu einer höchstens der Dicke der Gate-Elektrode
20 entsprechenden Dicke aufwachsen.
Die Epitaxialschicht 50 wird dann einer relativ hochenergetischen
Arsenimplantation 52 nach Fig. 4 ausgesetzt, um
die Schicht 50 bis herunter zu einer Tiefe etwa gleich ihrer
Schichtdicke (oder wenig weniger tief) hoch zu dotieren.
Beim Bilden der Epitaxialschicht 50 werden einige der
Verunreinigungen (Dotierstoffe) der Source- und Drainzonen
24, 26 über eine geringe Entfernung nach oben in die Epitaxialschicht
50 hinein diffundiert. Die Ionenimplantation
braucht daher in diesen aufwärts diffundierten Bereich
nicht hineinzureichen. Es ist darauf zu achten, daß die
Ionenimplantation sich nicht bis zu einer die Tiefe der
Source- und Drainzonen 24, 26 übersteigenden Tiefe erstreckt.
Anschließend wird eine Schicht 24 aus wärmebeständigem bzw.
schwerschmelzbarem Metallsilizid auf der hochdotierten Epitaxialschicht
durch Niederschlagen einer Schicht aus hitzebeständigem
Metall, z. B. aus Titan oder Wolfram, gebildet.
Daraufhin wird die Vorrichtung 10 so lange ausreichend erhitzt,
bis sich das schwerschmelzbare Metall mit dem Silizium
der Hauptfläche 14 verbindet und dabei ein Metallsilizid
bildet. Die so entstandene Metallsilizidschicht 54 bildet
(vollendet) den gewünschten niederohmigen Kontakt der
sehr flachen Source- und Drainzonen 24, 26.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird in den Fig. 6 bis
10 anhand eines Halbleiterbauelements 100 dargestellt, das
ähnliche Konstruktionsmerkmale wie das Bauelement 10 besitzt
und bei dem ähnliche Teile mit denselben Bezugsziffern
wie vorher bezeichnet werden. Diese ähnlichen Merkmale
werden nicht erneut beschrieben. Der wesentliche Unterschied
zwischen den beiden Bauelementen 10 und 100 besteht
darin, daß das Bauelement 100 ein Gate 110 besitzt, welches
aus einem passenden Metall oder Metallsilizid zusammengesetzt
ist. Da die aus Oxid bestehende Schutzschicht 40
nicht auf einem Metallgate wachsen kann und ein Metallsilizidgate
mit ähnlicher Geschwindigkeit wie das leicht dotierte
Silizium oxidiert, müssen andere Mittel zum Isolieren
der Gate-Elektrode beim Aufwachsen der Epitaxialschicht
50 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird eine Siliziumnitridschicht
112 auf der Oberseite 42 des Gates 110 in geeigneter
Weise gebildet. Eine Schicht 114 aus konformem Oxid
mit einer Dicke von etwa 200 nm bis etwa 500 nm wird dann
auf der Vorrichtung 100 in üblicher Weise, z. B. durch chemisches
Aufdampfen (vgl. Fig. 7), gebildet.
Die Vorrichtung 100 wird dann einer anisotropen Plasmaätzung
ausgesetzt, bis sämtliches Oxid der Schichten 16 und
114 von der Hauptfläche 14 im Bereich unmittelbar über den
Source- und Drainzonen 24, 26 nach Fig. 8 entfernt ist.
Dabei verbleibt auf den Seitenwänden 28 des Gates 110 eine
Oxidschicht 116 und erstreckt sich nach oben bis auf einen
kleinen Abstand zur Oberseite der Siliziumnitridschicht
112 (vgl. Fig. 8 bis 10). Ebenso wie bei der Vorrichtung
10 wird eine Epitaxialschicht 50 unmittelbar auf den
Source- und Drainzonen 24, 26 der Vorrichtung 100 aufgewachsen.
Die Epitaxialschicht 50 wird dann einer Ionenimplantation
52 ausgesetzt (vgl. Fig. 9). Daraufhin wird auf der
Epitaxialschicht 50 eine hitzebeständige Metallsilizidschicht
54 gebildet (vgl. Fig. 10). Die Siliziumnitridschicht
112 kann auf Wunsch in bekannter Weise entfernt
werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein MOSFET mit
sehr flachen Source- und Drainzonen bzw. ein MOS-VLSI-Bauelement
mit sehr flachen Übergängen hergestellt werden.
Der normalerweise mit derart flachen Zonen verbundene hohe
Oberflächenwiderstand wird durch Aufwachsen einer Epitaxialschicht
direkt auf der Oberfläche der flachen Source- und
Drainzonen 24, 26 vermieden, wenn die Epitaxialschicht hoch
dotiert wird und dann eine Schicht aus schwer schmelzbarem
Metallsilizid auf einer Epitaxialschicht gebildet wird. Die
entstehende Struktur führt zu einem MOSFET mit sehr flachen
Source- und Drainzonen 24, 25 und zugleich sehr niedrigem
Flächenwiderstand.
Claims (29)
1. Verfahren zum Herstellen eines MOS-Feldeffekttransistors
(10) mit einer Hauptfläche (14), einem auf der
Hauptfläche (14) gebildeten Isoliergate (20) und angrenzend
an das Gate (20) gebildeten Source- und Drainzonen
(24, 26), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
(a) Bilden des eine Oberseite (42) und ein Paar von
Seitenwänden (28) aufweisenden Isoliergates (20)
auf der Hauptfläche (14);
(b) Bilden der Source- und Drainzonen (24, 26) angrenzend
an die Seitenwände (28) des Gates (20) bis zu
einer Tiefe - ausgehend von der Hauptfläche (14) -
von weniger als 100 nm;
(c) Bilden einer Schutzschicht (40) auf der Oberseite
(42) und dem Paar von Seitenwänden (28) des Gates
(20),
(d) Bilden einer Schicht (50) aus einkristallinem Silizium
auf der Hauptfläche (14) der Source- und
Drainzonen (24, 26) bis zu einer vorgegebenen
Dicke;
(e) Dotieren der Siliziumschicht (50) bis zu einer
mit der vorgegebenen Dicke etwa übereinstimmenden
Tiefe; und
(f) Bilden einer Schicht (54) aus hitzebeständigem
Metallsilizid auf der Siliziumschicht (50).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt (b) das Dotieren der Source- und Drainzonen
(24, 26) mit Hilfe einer relativ niederenergetischen
Ionenimplantation umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt (d) die Siliziumschicht (50)
auf den Source- und Drainzonen (24, 26) epitaxial aufgewachsen
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt (e) die Epitaxialschicht (50) durch
Ionenimplantation dotiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Epidaxialschicht (50) bis zu einer Dicke von
etwa 150 bis 300 nm aufgewachsen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und
Drainzonen (24, 26) bis zu einer Tiefe von etwa 50 nm
gebildet werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxialschicht
(50) bis zu einer Dicke von etwa 200 nm aufgewachsen
wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (f)
folgende Teilschritte enthält:
(f1) Bilden einer Schicht (54) aus hitzebeständigem
Metall auf der Epitaxialschicht (50); und
(f2) Bilden eines Metallsilizids durch Erwärmen der
hitzebeständigen Metallschicht (54).
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c)
folgende Teilschritte enthält:
(c1) Bilden einer Schicht (114) aus konformem Oxid
auf dem Feldeffekttransistor; und
(c2) Anisotropen Plasmaätzen oder Oxidschicht (114)
bis im wesentlichen das gesamte Oxid von der
Oberfläche (14) der Source- und Drainzonen (24,
26) entfernt ist und die Schutzschicht (40) auf
der Oberseite (42) sowie dem Paar von Seitenwänden
(28) des Gates (20) verbleibt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Oberseite (42) des Gates (20) vor Ausführung
des Teilschritts (c 1) eine Schicht (112) aus
Siliziumnitrid gebildet wird.
11. MOS-Feldeffekttransistor (10) mit einem eine Hauptfläche
(14) besitzenden Körper (12), einem Isoliergate
(20) auf der Hauptfläche (14), Source- und Drainzonen
(24, 26) in dem Körper (12) angrenzend an das Gate
(20), die sich von der Hauptfläche (14) aus bis zu
einer vorgegebenen Tiefe in den Körper (12) hineinerstrecken
und zum Definieren einer Kanalzone zwischen
ihnen auf Abstand gesetzt sind, gekennzeichnet durch
eine Schicht (50) aus dotiertem, einkristallinem Silizium
auf der Hauptfläche (14) der Source- und Drainzonen
(24, 26) und in ohmschem Kontakt mit diesen Zonen
sowie mit Abstand von dem Gate (20); und durch
eine Schicht (54) aus hitzebeständigem Metallsilizid
auf der einkristallinen Siliziumschicht (50).
12. Transistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgegebene Tiefe der Source- und Drainzonen
(24, 26) kleiner als etwa 100 nm ist.
13. Transistor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die einkristalline Siliziumschicht (50)
eine Epitaxialschicht ist.
14. Transistor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Epitaxialschicht (50) eine Dicke von etwa 150
bis 300 nm besitzt.
15. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 11
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene
Dicke der Source- und Drainzonen (24, 26) kleiner als
etwa 50 nm ist.
16. Transistor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Epitaxialschicht (50) eine Dicke von etwa 200 nm
besitzt.
17. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 11
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Gate
(20) und die Hauptfläche (14) des Körpers (12) eine
Schicht aus Siliziumoxid (40) eingefügt ist.
18. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 11
bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Gate
(20) und die dotierte einkristalline Siliziumschicht
(50) eine Schicht aus Siliziumoxid (40) eingefügt ist.
19. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 11
bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberseite
(42) des Gates (20) eine Schicht (112) aus Siliziumnitrid
vorgesehen ist.
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