DE4441723A1 - Herstellungsverfahren für Gate-Elektroden von MOSFETs - Google Patents

Herstellungsverfahren für Gate-Elektroden von MOSFETs

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung von Gate-Elektroden extrem kurzer Länge bei MOSFETs.
Die Realisierung von MOSFETs mit extrem kurzen Gate-Längen ist für wissenschaftliche Untersuchungen, aber auch für kom­ merzielle Anwendungen (Einzelhalbleiter, Schlüsselkomponenten in der Telekommunikation) interessant. Die Vorteile extrem kurzer Gate-Längen sind vor allem die kleine Gate-Kapazität sowie der vergleichsweise hohe Sättigungsstrom. Bei niedrigen Betriebsspannungen erzielt man damit extrem kleine Gatter- Verzögerungszeiten und damit sehr schnelle logische Schaltkreise. Üblicherweise werden Strukturen mit Abmessungen unterhalb 100 nm mit Röntgen- oder Elektronenstrahllithogra­ phie realisiert. Andere Verfahren verwenden teilweises Oxi­ dieren von Lackstegen oder laterales Rückätzen von Hartmasken aus TEOS. Die Nachteile dieser Verfahren sind einerseits die aufwendige Technik und andererseits die gleich große Übertra­ gung von Unregelmäßigkeit in der Begrenzung der ursprüngli­ chen Masken auf die schmale Abmessung des Gate, so daß diese Unregelmäßigkeit relativ zur Größe der Abmessung zunehmend ins Gewicht fällt. Damit wird die minimal realisierbare Gate- Länge begrenzt. In IBM Technical Disclosure Bulletin 26, 4587- 4589 (1984) wird von C. Johnson e.a. ein Herstellungsver­ fahren für kurze Gate-Elektroden angegeben, das Spacertechnik in SiO₂ verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung von Gate-Elektroden extrem kurzer Länge für MOSFETs insbesondere auf SOI-Substrat anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit konventionel­ ler optischer Lithographie nahezu beliebig kurze Gate-Elek­ troden realisiert. Dieses Verfahren ist insbesondere von Vor­ teil, wenn wegen einer geringeren Integrationsdichte von Bauelementen auf eine Lithographie unterhalb 100 nm ver­ zichtet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt an den ersten Teil des herkömmlichen Verfahrens zur Herstel­ lung von MOSFETs bis zur Abscheidung der Elektrodenschicht z. B. aus Polysilizium für die Herstellung der Gate-Elektroden an. Diese Elektrodenschicht muß dann strukturiert werden, was erfindungsgemäß in der Weise geschieht, daß eine Hartmaske z. B. aus Nitrid so hergestellt wird, daß sie eine senkrechte Flanke unmittelbar neben einem für die Gate-Elektrode vorge­ sehenen Bereich besitzt. Die Verwendung einer Hartmaske im Unterschied zu dem in der eingangs zitierten Veröffentlichung von IBM beschriebenen Verfahren hat den Vorteil, daß diese Maske hohen Prozeßtemperaturen standhält. In folgenden Ver­ fahrensschritten können dann mittels CVD (chemical vapour de­ position) Oxidschichten abgeschieden werden, die sich durch bessere Bedeckung der vorhandenen Kanten, größere Homogenität und geringere Verunreinigungen durch Metall vor Plasma-Oxid- Schichten auszeichnen. Ein Plasma-Oxid findet frühestens im Zusammenhang mit der Herstellung von Metallisierungen Anwen­ dung, wenn die Anforderungen an Konformität und Reinheit der Oxidschichten wesentlich geringer sind; das erfindungsgemäße Verfahren modifiziert daher einen Teil des Gesamtprozesses so vorteilhaft, daß sich für das Endprodukt eine wesentliche Verbesserung ergibt. An die Herstellung der Hartmaske an­ schließend wird ein den für die Gate-Elektrode vorgesehenen Bereich abdeckender Spacer an der Flanke dieser Hartmaske hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann dieser schmale Spacer als Maske für das Ätzen der Gate-Elek­ trode verwendet. Es folgt eine genauere Beschreibung des er­ findungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 4, die Zwischenprodukte eines unter Einbeziehung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens hergestellten MOSFET im Querschnitt zeigen.
In herkömmlicher Weise wird ein für einen MOSFET vorgesehener Bereich ringsum elektrisch isoliert und mit einer Grunddo­ tierung sowie einer Dielektrikumschicht als Gate-Oxid verse­ hen. Dieser Bereich kann z. B. wie in Fig. 1 dargestellt ei­ ne Mesa 3 aus Silizium sein, deren Oberfläche durch Oxidation mit einer Dielektrikumschicht 4 bedeckt ist. In der Dar­ stellung der Fig. 1 ist diese Mesa 3 Teil einer von einer Bulk-Siliziumschicht 1 eines SOI-Substrates durch eine Isola­ torschicht 2 getrennten Nutzschicht aus Silizium (sogenannte Body-Siliziumschicht). Der für den MOSFET vorgesehene Bereich wird dann ganzflächig mit der Elektrodenschicht 5, die vor­ zugsweise z. B. Polysilizium ist, bedeckt. Um diese Elektro­ denschicht 5 strukturieren zu können, wird zunächst eine Hartmaskenschicht 6 z. B. aus Nitrid aufgebracht und so strukturiert, daß der verbleibende Anteil dieser Hartmasken­ schicht 6 eine senkrechte Flanke unmittelbar neben dem für die Gate-Elektrode vorgesehenen Bereich aufweist. In diesem Bereich wird dann ein Spacer, der den für die Gate-Elektrode vorgesehenen Bereich abdeckt, hergestellt. Das geschieht da­ durch, daß eine Spacerschicht 7 zunächst ganz flächig abge­ schieden wird. Dafür ist eine Siliziumoxidschicht, die herge­ stellt wird durch Abscheiden einer Schicht aus TEOS (Tetraethyloxysilikat), besonders geeignet. Diese Spacer­ schicht 7 wird dann anisotrop rückgeätzt, so daß der in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Spacer 8 der Fig. 2 übrigbleibt. Die Dicke der aufgebrachten Hartmaskenschicht 6 sollte min­ destens etwa doppelt so groß sein wie die Dicke der Spacer­ schicht 7, damit der Spacer ausreichend hoch ist und damit dessen Breite ausreichend gut reproduzierbar ist. Ein derar­ tiger Spacer umgibt den verbliebenen Anteil der Hartmasken­ schicht 6 ringsum und bildet daher in Aufsicht eine ge­ schlossene Kurve, z. B. einen geschlossenen Polygonzug. Wenn das bei Schaltungsanwendungen unerwünscht ist, z. B. wenn die Gate-Elektrode als gerader Steg über dem Kanalbereich des MOSFET hergestellt werden soll, kann der nicht erwünschte An­ teil des Spacers 8 z. B. mittels einer Lackmaske 9 z. B. naßchemisch entfernt werden.
Danach wird die Hartmaskenschicht 6 z. B. durch isotropes Rückätzen entfernt. Unter Verwendung des Spacers 8 kann dann die Elektrodenschicht 5 anisotrop rückgeätzt werden, bis da­ von nur der für die Gate-Elektrode 10 vorgesehene Anteil üb­ rigbleibt. In Fig. 3 ist das Ergebnis dieser Strukturierung der Elektrodenschicht dargestellt. Der Spacer 8 wird an­ schließend vorzugsweise durch isotropes Ätzen entfernt. Wegen des allseitigen Ätzangriffes entspricht die Ätzdauer daher der halben Spacerbreite. Bei Verwendung von TEOS für die Ab­ scheidung der Spacerschicht wird bei diesem Rückätzen auch das Gate-Oxid der Dielektrikumschicht 4 an der Kante der Ga­ te-Elektrode 10 angegriffen. Die in Fig. 4 dargestellten kleinen Aussparungen dieser Dielektrikumschicht 4 unter der Gate-Elektrode 10 können bei einer nachfolgenden Reoxidation wieder gefüllt werden. Ein Abätzen der Oberfläche der hier freigelegten Isolatorschicht 2 ist ebenfalls akzeptabel. Soll dieses Rückätzen der Dielektrikumschicht 4 und der Isolator­ schicht 2 vermieden werden, kann der Ätzschritt zum Struktu­ rieren der Gate-Elektrode 10 so ausgeführt werden, daß von der Elektrodenschicht 5 überall ein dünner Schichtanteil stehenbleibt. In dem Verfahrensschritt der Fig. 3 ist dann nicht nur die Gate-Elektrode 10, sondern seitlich ein die Me­ sa 3 vollständig bedeckender dünner restlicher Schichtanteil der Elektrodenschicht 5 übrig. Der Spacer 8 wird dann entfernt und anschließend die Elektrodenschicht 5 weiter rückgeätzt, bis die seitlich der Gate-Elektrode 10 vorhande­ nen Anteile vollständig entfernt sind. Um in diesem Fall eine weitere Reduzierung der Abmessungen der Gate-Elektrode 10 zu kompensieren, kann die Elektrodenschicht 5 zuvor etwas dicker aufgebracht werden. Weitere Anteile der Elektrodenschicht 5, die bei der Strukturierung nicht entfernt werden sollen, können durch eine weitere Maske abgedeckt werden, die nach der Spacerschicht 7 aufgebracht wird, bevor die Struktu­ rierung der Elektrodenschicht 5 erfolgt. Diese Maske kann insbesondere ein Teil der in Fig. 2 eingezeichneten Maske 9 sein. Auf diese Weise können die größerflächigen Anschlußbe­ reiche der Gate-Elektrode als Teil der Elektrodenschicht 5 strukturiert werden. Vor der Ätzung der Spacer ist eine kon­ ventionelle Hartmaske geeignet. Falls die Maske erst unmit­ telbar vor der Ätzung der Gate-Elektrode aufgebracht wird, kann eine konventionelle Lackmaske verwendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Gate-Elektroden bei MOSFETs, bei dem
in einem ersten Schritt eine für eine Gate-Elektrode (10) vorgesehene Elektrodenschicht (5) aufgebracht wird,
in einem zweiten Schritt eine Hartmaskenschicht (6) auf diese Elektrodenschicht (5) aufgebracht und so strukturiert wird, daß diese Hartmaskenschicht (6) eine senkrechte Flanke unmit­ telbar neben einem für die Gate-Elektrode (10) vorgesehenen Bereich besitzt,
in einem dritten Schritt eine für den nachfolgenden sechsten Schritt ausreichend dicke Spacerschicht (7) aufgebracht wird,
in einem vierten Schritt diese Spacerschicht (7) soweit rück­ geätzt wird, daß ein Anteil als Spacer (8) an dieser Flanke der Hartmaskenschicht (6) stehenbleibt,
in einem fünften Schritt die Hartmaskenschicht (6) entfernt wird,
in einem sechsten Schritt unter Verwendung dieses Spacers (8) als Maske die Elektrodenschicht (5) anisotrop rückgeätzt wird und
in einem siebten Schritt der Spacer (8) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
der sechste Schritt so ausgeführt wird, daß von der Elektro­ denschicht (5) ein in dem siebten Schritt als Ätzstopp ver­ wendbarer dünner Schichtanteil stehenbleibt, und
nach dem siebten Schritt die Elektrodenschicht (5) soweit rückgeätzt wird, daß sie in den Bereichen, in denen sie in dem sechsten Schritt rückgeätzt wurde, vollständig entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem zweiten Schritt die Hartmaskenschicht (6) aus Nitrid hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in dem dritten Schritt die Spacerschicht (7) durch Abscheiden von TEOS (Tetraethyloxysilikat) hergestellt wird.
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