Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER NANOSKALIGEN HALBLEITERSTRUKTUR UND ZUR HERSTELLUNG VON VERTIKALEN HALBLEITERSBAUELEMENTEN AUF DER BASIS DER HALBEITERSTRUKTUR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur und zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf der Basis der Halbleiterstruktur, insbesondere zur Herstellung von Feldeffekttransistoren mit vertikalem Gate.
Um nachteilige Kurzkanaleffekte trotz hoher Integrationsdichte zu vermeiden, sind seit längerem vertikale Feldeffekttransistoren bekannt, bei denen der Kanal relativ zur Substratoberfläche vertikal angeordnet. Damit sind größere Gatelängen möglich, ohne den horizontalen Platzbedarf zu erhöhen. Im Prozess der Fertigung von vertikalen Feldeffekttransistoren stellen Siliziumsubstrate mit darauf definiert angeordneten Siliziumsäulen, auf denen später die Gate-Strukturen aufgebracht werden, ein wichtiges Zwischenprodukt dar. Der Teilprozess zur Herstellung dieses Zwischenprodukts ist Gegenstand zahlreicher Publikationen, wobei die Siliziumsäulen entweder epitaxial in einem Fenster einer dielektrischen Schichtfolge wachsen oder anisotrop aus dem Substrat geätzt werden.
So ist z. B. ein Verfahren zur Herstellung eines Vertikal-Halbleitertransistor- bauelements bekannt (DE 199 33 564 C1), bei dem über einer Schichtfolge, die auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht ist, eine statische Maske mit statistisch verteilten Maskenstrukturen gebildet wird. Durch Ätzprozesse weden Säulenstrukturen aus der Schichtfolge herausgebildet, auf denen die Gate-Elektroden aufgebracht werden können.
Aus der US 63 55 532 B1 ist ein MOS-FET bekannt, der vertikale Siliziumsäulen aufweist, die vom Gate-Material umgeben sind. Die Basis der Siliziumsäulen ist mit dem Substrat verbunden und formt den Source-Bereich. Das obere Ende der Siliziumsäulen ragt über das umgebende Gate-Material hinaus und bildet den Drain-Bereich. Die Siliziumsäulen werden durch eine Reihe von Ätzschritten aus dem Ausgangsmaterial geätzt werden. Die erreichbaren Abmessungen der
Siliziumsäulen werden durch konventionelle photolithographische Prozesse und Ätzprozesse bestimmt.
Eine weitere Variante zur Erzeugung von Siliziumsäulen auf einem Siliziumsubstrat ist aus der US 2002/0137271 A1 bekannt. Demnach wird auf ein Siliziumsubstrat eine geeignete Schichtenfolge aufgebracht, um anschließend z. B. mittels reaktivem lonenätzen streifenförmige Gräben bis herab zur Substratoberfläche in die Schichtenfolge zu ätzen. Dabei entsteht eine Anzahl streifenförmiger Säulen. Nach dem Entfernen der Photomaske wird in die streifenförmigen Gräben z. B. SiO2 abgeschieden, um diese Gräben zu füllen. Anschließend wird die Arbeitsfläche durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert. Danach wird wird eine weitere Photomaske aufgebracht, um streifenförmige Gräben zu ätzen, die senkrecht zu den erstgenannten Gräben verlaufen. Die auf diese Weise erzeugte Struktur besteht aus einzelnen Säulen, welche die auf das Siliziumsubstrat aufgebrachte Schichtenfolge aufweisen.
Der Gesamtprozess der Herstellung eines n-Kanal-Vertikaltransistors, bei dem ein Halbleitersubstrat aus monokristallinem Silizium mit geringer p-Dotierung verwendet wird, ist z. B. aus der DE 42 35 152 C2 bekannt. Mit Bezugnahme auf die in Fig. 4 wiedergegebene Zeichnung der DE 42 35 152 C2 werden auf dem Halbleitersubstrat eine Silizium-Nitridschicht 2, eine SiO2-Schicht 3 und eine PolySilizium-Schicht 4 abgeschieden (Fig. 4a). Die Poly-Silizium-Schicht 4 wird strukturiert, so dass diese nur an Stellen stehen bleibt, an denen später die aktiven Transistor-Strukturen entstehen. Danach wird diese Poly-Silizium-Schicht 4 zurückgeätzt, so dass einzelne, isolierte Silizium-Inseln 5 zurückbleiben (Fig. 4b). Diese Silizium-Inseln mit einem Durchmesser von ca. 50 nm werden als Ätzmaske genutzt für einen nachfolgenden anisotropen Ätzschritt, der die SiO2-Schicht 3 und die Silizium-Nitridschicht 2 durchätzt, so daß die Masken-Säulen 6 stehen bleiben (Fig. 4c). In einem weiteren isotropen Ätzschritt wird in die Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 ca. 400 nm hineingeätzt, wobei die Masken-Säulen 6 als Ätzmaske dienen. Nach dem Entfernen der Reste der Masken-Säulen 6 (außer den Nitrid-Kappen 8) wird eine Ionenimplantation vorgenommen, mit deren Hiife hoch dotierte Gebiete 7a, 7b vom n-Typ am oberen Ende bzw. in den Tälern zwischen
den entstandenen Siliziumsäulen 12 erzeugt werden (Fig. 4d). Um die Seitenwände der Siliziumsäulen 12 zu schützen, ist es möglich, eine dünne Schutz-Schicht aufzubringen, die nach der Implantation wieder entfernt wird. Durch thermische Oxidation wird dann ein Gateoxid 9 (Fig. 4e) erzeugt. Die Nitrid-Kappen 8 wirken dabei als Oxidationsmaske, so daß an der oberen Grenzfläche der Siliziumsäulen kein Oxyd entsteht. Danach wird eine dicke Gate-Schicht 10 (Fig. 4f) aus PolySilizium abgeschieden und planarisiert, so daß die oberen Nitrid-Kappen 8 freigelegt werden. Danach wird die Gate-Schicht 10 mittels Photolithographie strukturiert, die Oberfläche wird oxydiert (ca. 100 nm) und es werden die Nitrid- Kappen 8 entfernt. In dem Kontaktlochbereich 14 werden mittels Photolithographie Kontaktlöcher in die Oxid-Schicht 11 geätzt. Danach wird eine Metallschicht oder Silizidschicht abgeschieden und strukturiert, so daß Leitbahnen 17 entstehen, die die elektrische Verbindung von Gate, Source und Drain herstellen und damit auch Gatekontakt 13, Drainkontakt 16 und Sourcekontakt 15 ausbilden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind jedoch nicht auf solche Fälle übertragbar, in denen eine Vielzahl von nanoskaligen Siliziumsäulen mit vorgebbarer Flächendichte kontrolliert und örtlich definiert auf einem Silizium- Substrat oder einer auf dem Substrat befindlichen Materialschicht erzeugt werden soll.
Es sind zwar schon vertikale nanoskalige Transistoren bekannt geworden, bei denen in der Nähe des Kanalbereichs einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre eine zweite Nanoröhre als steuerndes Element derart angeordnet ist, dass die Leitfähigkeit der ersten Nanoröhre in dem den Kanalbereich bildenden Teil der ersten Nanoröhre gesteuert werden kann (DE 100 32 370 C1). Ebenso ist aus der DE 100 32414 C1 ein Feldeffekttransistor bekannt, der einen Nanodraht aufweist, welcher einen Source-Bereich, einen Kanalbereich und einen Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bildet. Auf dem Nanodraht ist eine Nanoröhre aufgebracht, die einen isolierenden Bereich und einen halbleitenden Bereich oder einen metallisch leitenden Bereich aufweist. Der isolierende Bereich der Nanoröhre ist auf dem Kanalbereich des Nanodrahts derart aufgebracht, dass der isolierende Bereich der Nanoröhre einen Isolator des Feldeffekttransistors bildet. Femer ist die Nanoröhre
derart auf den Nanodraht aufgebracht, dass der halbleitende Bereich der Nanoröhre oder der metallisch leitende Bereich der Nanoröhre einen Gate-Bereich des Feldeffekttransistors bildet. Der Nanodraht kann ein Silizium-Nanodraht sein. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Nanodraht eine weitere Nanoröhre sein, beispielsweise eine Kohlenstoff-Nanoröhre.
Die beiden vorstehenden Publikationen enthalten jedoch keine Hinweise darauf, wie eine Vielzahl von nanoskaligen Transistoren mit vorgebbarer Flächendichte kontrolliert und örtlich definiert auf einem Silizium-Substrat werden soll.
Es sind auch bereits Si-Feldeffekttransistoren und Sensoren auf Basis von funktionalisierten Si-Nanoröhren demonstriert worden /1 , 2, 3/, die typischerweise mit dem sogenannten Vapor-Liquid-Silid (VLS) /1 , 2, 3, 4/ aus Ga oder Au Precursoren hergestellt wurden. Des weiteren ist aus der Literatur bekannt, dass z.B. mit Verwendung von Gallium, aus Silizium bestehende Nadeln auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe unter geeigneten experimentellen Randbedingungen gezüchtet werden können. Hinreichend geschickte Prozessführung führt zu auf der Oberfläche senkrecht stehenden Nadeln. Mit diesen Verfahren ist es zwar möglich, eine Vielzahl von nanoskaligen Si-Nadeln mit vorgebbarer Flächendichte kontrolliert und örtlich definiert auf einem Silizium- Substrat zu erzeugen.
Die monokristallinen Si-Nadeln des so hergestellten Zwischenprodukts weisen jedoch eine derart große Längenstreuung auf, das es für die weiterführende Fertigung von Halbleiterstrukturen nicht verwendbar ist.
Ausgehend vom aufgeführten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterstruktur, die aus einem Siliziumsubstrat besteht, aus deren Oberfläche eine Vielzahl von eine bestimmte Längenstreuung aufweisenden nanoskaligen Siliziumstrukturen in Form von Siliziumsäulen, Siliziumnadeln, Siliziumdrähten oder gleichwertigen Strukturen herausragt, so zu modifizieren, dass die modifizierte Halbleiterstruktur als Zwischenprodukt für die Fertigung von Halbleiterbauelementen geeignet ist, die eine Stromfluß senkrecht zur Substratoberfläche aufweisen, insbesondere von Feldeffekttransistorstrukturen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf der Basis der modifizierten Halbleiterstruktur die genannten Halbleiterbauelemente gefertigt werden können.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteihafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
Es gehört mit zur Erfindung, wenn die Siliziumstrukturen nicht unmittelbar auf dem Silizium-Substrat sondern auf geeigneten Zwischen-, Übergangs- oder Grenzschichten aufwachsen oder abgeschieden werden.
Desweiteren können die Siliziumstrukturen so funktionalisiert werden, dass sie geeignete sensorische Eigenschaften für Anwendungen in der Bio- und chemischen Sensorik aufweisen. Die Siliziumstrukturen können ein Silizium- Germanium Übergitter aufweisen, um eine Verwendbarkeit zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente zu ermöglichen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels für die Herstellung eines vertikalen Feldeffekttransistors (FET) unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 : einen schematischen Querschnitt durch eine Substratscheibe mit aus der Substratoberfläche herausragenden nanoskaligen Siliziumstrukturen nach Beschichtung mit CVD Silizumoxid und -nitrid
Fig. 2: einen schematischen Querschnitt durch eine Substratscheibe mit nanoskaligen Siliziumstrukturen nach Beschichtung mit CVD Silizumoxid und -nitrid und nach erfolgtem CMP Schritt
Fig. 3: einen schematischen Querschnitt durch einzelne Feldeffekttransistor- Strukturen vor Metallisierungs- und Verdrahtungsebenen
Fig. 4: verschiedene Stufen eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Halbleiterstrukturen im Zusammenhang mit der Herstellung eines n-Kanal-Vertikaltransistors (DE 42 35 152 C2)
Eine Elektrode des FET, Source oder Drain, wird gemäß Fig. 1 von dem hochdotierten Siliziumsubstrat a in Form einer monokristallinen Siliziumscheibe gebildet, die mit einer Vielzahl von aus der Substratoberfläche herausragenden nanoskaligen Siliziumstrukturen c versehen ist, welche die Form von Siliziumsäulen, Siliziumnadeln, Siliziumdrähten oder gleichwertigen Strukturen aufweisen und monokristallin sein können. Diese Siliziumstrukturen wurden mit vorgebbarer Flächendichte und örtlich definiert auf dem Siliziumsubstrat erzeugt und weisen eine bestimmte Längenstreuung auf. Das Volumen (Substrat) des FET stellt die aus der Substratoberfläche herausragende Siliziumstruktur c dar. Die Beschreibung der Prozessschritte, die notwendig sind, um die Siliziumstrukturen c auf eine vorgebbare einheitliche Länge zu bringen, erfolgt nachfolgend beispielhaft im Zusammenhang mit der Beschreibung der Prozessschritte, die zur Herstellung eines n-Kanal MOS FET mit vertikalem Gate notwendig sind. Wenn die Dotierungsverhältnisse entsprechend invertiert werden, gilt die Beschreibung aber auch analog für p-Kanal FETs.
Im Fall eines n-Kanal FETs besteht die Siliziumscheibe a aus n+-dotiertem Silizium, aus dem die nanoskaligen Siliziumstrukturen c herausgewachsen sind. Sind diese Siliziumstrukturen c auch z. B. bei Verwendung von Gallium noch nicht geeignet p- dotiert, werden sie durch einen Dotierschritt unter Verwendung einer eine p- Dotierung erzeugenden Substanz, z. B. aus der Gasphase mit Diboran, entsprechend dem Stand der Technik moderat dotiert.
Anschließend wird eine Doppelschicht b aus Siliziumnitrid auf Siliziumoxid erzeugt, wobei das Siliziumoxid bevorzugt durch eine chemische Gasphasenabscheidung erzeugt wird. Die Dicke dieser Doppelschicht b ist um einige Nanometer höher als die Summe aus geplanter Kanallänge des herzustellenden FETs und der Dicke des
möglicherweise vorhandenen nanokristallinen Übergangsbereichs vom Siliziumsubstrat a zur Siliziumstruktur c, aber geringer als die Gesamtlänge einer jeden Siliziumstruktur c.
Auf der vorgenannten Siliziumoxidschicht wird anschließend eine Siliziumnitridschicht in einer für das chemisch-mechanische Polieren (CMP) üblichen Schichtdicke niedergeschlagen. Nach erfolgter Abscheidung der aus aus Siliziumnitrid auf Siliziumoxid bestehenden Doppelschicht b sind die Siliziumstrukturen eingebettet und stabilisiert worden. Durch einen CMP-Prozeß wird nun der über der Doppelschicht b überstehende Teil der Siliziumstrukturen c und ein Teil der Siliziumnitridschicht der Doppelschicht b entfernt, womit eine planare Oberfläche erzeugt wird (Fig. 2).
Der nicht im CMP-Prozeß entfernte Teil der Siliziumnitridschicht kann verbleiben oder selektiv zu Silizium und Siliziumoxid in einem Standardverfahren entfernt werden. Durch ein z. B. lithographisches Verfahren wird in geringer Entfernung zu den einzelnen Siliziumstrukturen ein z. B. den Kanten eines Quadrates folgender Graben durch Trockenätzen der Siliziumnitrid- und Siliziumoxidschichten bis hinunter auf das Substrat a erzeugt und der Graben wieder mit Siliziumnitrid e aufgefüllt. Diese Siliziumnitridschicht e wird nun z. B. durch Trockenätzen nach erfolgter Lithographie geeignet flächig mit den einzelnen Siliziumstrukturen c im Mittelpunkt der Fläche entfernt, so dass dann die Querschnittsfläche der Siliziumstrukturen c frei liegt und weitere Bereiche der Siliziumnitridschicht e innerhalb des Siliziumnitrid-gefüllten Grabens entfernt sind.
Eine Abscheidung von polykristallinem Silizium (poly-Si) f mit einer n+-Dotierung folgt, verbunden mit einem definierten Eintreibschritt der fünfwertigen Dopanten in die Siliziumstrukturen c. Gleichzeitig diffundiert fünfwertiger Dotierstoff aus dem Substrat in die Siliziumstrukturen c ein.
Wieder in einem Trockenätzschritt nach erfolgter Lithographie wird diese poly-Si Schicht f strukturiert und bildet nun den Drain- oder Sourcebereich des FETs. Die Strukturierung erfolgt so, dass diese Schicht in der Form eines Rechteckes sowohl
die Siliziumstrukturen c überdeckt als auch auf obigem mit Nitrid beschichtetem Quadrat aufliegt, dabei aber auf zwei oder drei Rechteckseiten in keinem Kontakt zur Siliziumnitridschicht e steht und somit quasi eine Brücke mit der Siliziumstruktur als Stützpfeiler bildet. Ebenfalls in einem Ätzschritt, z. B. nass in Flusssäure, wird das die Siliziumstruktur c umgebende Siliziumoxid d entfernt und die Siliziumstruktur unter dem poly-Si freigelegt. Nun werden in CVD-Prozessen ein geeignetes Gatedielektrikum g, z. B. Hafniumsilikat, und ebenso eine Gatemetallisierung h, die z. B. aus dotiertem poly-Si bestehen kann, abgeschieden. Eine Strukturierung dieser Schichten auf der Oberfläche schließt sich an. Sowohl der Gatekontakt als auch der auf der Siliziumstruktur sitzende Drain- oder Sourcebereich des FET können dann in Standardverfahren kontaktiert werden.
Die Herstellungsprozessschritte umfassen auch bisher nicht erwähnte, an sich bekannte Prozessschritte einer Halbleiterbauelementprozessierung., wie Reinigung der Si-Oberflächen von organischen und anorganischen Spuren, Schritte zum Entlacken, Schritte zum Metallisieren u.s.w., die üblicherweise verwendet werden und deshalb nicht ausgeführt werden sollen.
Referenzen:
IM X. Duan, Y. Huang, Y. Cui, J. Wang, CM. Lieber, Nature 409(66), (2001)
I2J M.S.Gudiksen, L.J. Lauhon, J. Wang, D.C. Smith, CM. Lieber, Nature 415, 617 (2002) /3/ A.M. Morales, CM. Lieber, Science 279, 208 (1998) 141 E.l. Givargizov, J. Crystal Growth 31 , 20 (1975)