DE3012363C2 - Verfahren zur Bildung der Kanalbereiche und der Wannen von Halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur Bildung der Kanalbereiche und der Wannen von HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung der Kanalbereiche und der Wannen von Halbleiterbauelementen
auf einem Halbleitersubstrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein entsprechendes Verfahren ist aus der US-PS 13 484 bekannt.
Bei dem bekannten Verfahren wird auf eine erste Oxidschicht der Substratoberfläche eine Nitridschicht,
welche die Kanalbereiche -abdeckt, und sodann eine weitere Oxidschicht, welche die Bereiche außerhalb der
Kanalbereiche abdeckt, aufgebracht. Auf diesen Schichten wird eine Fotolackschicht gebildet, die die Wannenbereiche
freiläßt und somit die Grenzen der Wannen definiert. Es folgt eine Hochenergieimplantation mit Ionen
eines dem Substrat entgegengesetzten Leitungstyps. Die Ionen dürfen hierbei nur die Nitridschicht,
nicht jedoch die Fotolack- und die weitere Oxidschicht durchdringen, so daß unterhalb der Nitridschicht Kanalbereiche
gebildet werden. Unter Verwendung der Fotolackschicht als Maske werden durch Abätzen eines Teils
der weiteren Oxidschicht die Wannenbereiche außerhalb der Kanalbereiche freigelegt und danach die Fotolackschicht
entfernt, worauf sich eine Temperaturbehandlung anschließt, bei der die zuvor implantierten Ionen
zur Bildung der Wannen in das Substrat eingetrieben werden. Diese Temperaturbehandlung wird über 21
Stunden hinweg bei 12000C und Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Zur Behandlung hochdotierter Feldbereiche zur Minimierung
von Kanten-Leckströmeu und zur Erhöhung der Feldschwellwertspanriung schließt sich eine zweite
Implantation mit den gleichen Ionen an, die im Vergleich zur ersten Implantation mit niedrigerer Energie
und höherer Dosis erfolgt, wobei die Nitridschicht und der noch vorhandene Teir der weiteren Oxidschicht als
ίο Maske dienen. Sodann wird der noch vorhandene Teil
der weiteren Oxidschicht abgeätzt und in üblicher Weise werden danach die Source- und Drain-Bereiche ein-
und die zugehörigen Elektroden aufgebracht.
Dieses Verfahren umfaßt eine Vielzahl von Verfahrensschritten und weist zudem den Nachteil auf, daß die Wannen durch eine an die erste Implantation sich anschließende Wärmebehandlung gebildet werden, bei der die sich ergebenden Wannenbegrenzungen nicht eindeutig festliegen.
Dieses Verfahren umfaßt eine Vielzahl von Verfahrensschritten und weist zudem den Nachteil auf, daß die Wannen durch eine an die erste Implantation sich anschließende Wärmebehandlung gebildet werden, bei der die sich ergebenden Wannenbegrenzungen nicht eindeutig festliegen.
Es besteht die Aufgabe, dieses bekannte Verfahren zu
vereinfachen und die Begrenzungen der Wannen zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dem Anspruch 2 entnehmbar.
Bei dem bekannten Verfahren muß nach dem Aufbringen der Nitridschicht die weitere Oxidschicht gebildet
werden, die die Feldbereiche bei der anschließenden ersten Implantation abdeckt Dies ist bei dem beanspruchten
Verfahren nicht erforderlich.
Bei dem bekannten Verfahren muß unter Verwendung der Fotolackschicht in den Feldbereichen diese
weitere Oxidschicht abgeätzt und sodann die Fotolackschicht entfernt werden, bevor die zweite Implantation
durchgeführt wird. Dies entfällt ebenfalls beim beanspruchten Verfahren. Gleiches giJt^uch für das sich anschließende
Abätzen der weiteren Oxidschicht außerhalb der Wannenbereiche beim bekannten Verfahren.
Erreicht wird dies dadurch, daß beim beanspruchten Verfahren die Fotolackschicht, die nunmehr auf die Substratoberfläche
aufgebracht ist und die Grenzen der Wannen definiert, als Maske bei den beiden unmittelbar
aufeinanderfolgenden Implantationen dient
Ein Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors und eines Ladungsspeichers auf dem gleichen Substrat
ist aus der Druckschrift »RCA-Review«, Vol. 38, Sept. 1977, S. 407-435, bekannt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum· Herstellen eines N-Kanal-, eines P-Kanal-Feldeffekttransistors sowie eines N-Kanal-CTD-Ladungsspeichers wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum· Herstellen eines N-Kanal-, eines P-Kanal-Feldeffekttransistors sowie eines N-Kanal-CTD-Ladungsspeichers wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
F i g. 1 bis 8 Querschnitte eines Halbleitersubstrats und darauf befindlicher Oberflächenschichten in der
Reihenfolge der Herstellung einer Kombination von Ladungsspeicher- und CMOS-Bauelementen, wobei die
Abmessungen der Deutlichkeit halber nicht maßstabsgerecht sind.
Gemäß Fig. 1 wurde ein N~-dotiertes Siliciumsubstrat
1 mit hohem spezifischem Widerstand beispielsweise mit Phosphor dotiert. Die Dicke des Substrats
sollte vorzugsweise bei 500 μιη liegen und die Störstellenkonzentration
sollte etwa 1015 Störstellen pro cm3
enthalten.
Das dotierte Substrat wird dann oxidiert, damit sich eine Schicht 2 aus Siliciumdioxid etwa mit einer Dicke
von 50 nm ergibt, auf der eine Schicht aus Siliciumnitird
3 abgelagert wird. Diese Schichten liegen Ober den herzustellenden
FET- und CTD-Bauelementen.
Es hat sich gezeigt, daß die in bestimmten der nachfolgenden
Schritte zu implantierenden Störstellen manchmal innerhalb des Substrats eine seitliche Diffusion erfahren.
Zur Reduzierung dieses Effekts wird vorzugsweise als nächstes ein Ätzschritt ausgeführt, bei dem die
Siliciumnitridschicht und das Siliciumdioxid als Maske verwendet weiden. Das Ergebnis besteht darin, daß die
freiliegende Oberfläche des Siliciums sowie ein Teil derselben
unterhalb der Siliciumnitrid- und der Siliciumdioxidschichien
an den Kanten der Kanalbereiche 4 weggeätzt wird, so daß ein Oberflächenprofil gemäß F i g. 2
ergibt.
Da das Ätzmittel teilweise unterhalb des Siliciumdioxids ätzt, ergibt sich eine abgeschrägte Kante, welche
durch das Siliciumnitrid gegen eine spätere Implantation hoher Dosis und niederer Energie maskiert ist
Die Fotolackschicht 5 wird als eine Maske auf dem Substrat und seinen oberen Schichten abgelagert, wodurch
die Wannen der N-Kanal-FET- und der CTD-Bauelemente
definiert werden, wie dies F i g. S zeigt. Die
Dicke der Fotolackschicht sollte zumindest 600 nm betragen. Die aktiven Bereiche des CTD-Bauelements und
des N-Kanal-FET, welche zu dotieren sind, sind durch die Bezugszeichen 6 bzw. 7 angegeben. Der Bereich des
Siliciumsubstrats, in dem ein P-Kanal-CMOS-Bauelement
herzustellen ist, wird durch die Fotolackschicht 5 bedeckt
Die Bildung der P--Wannen ist in Fi g. 3 gezeigt Die
Implantation der P-Störstellen erfolgt direkt in das Silicium.
Zuerst erfolgt eine Hochenergie-Ionenimplantation von P-Störstellen, etwa Bor, mit niedriger Dosierung.
Die Borionen dringen durch die Siliciumnitrid- und Siliciumdioxidschichten 2,3 soweit sie nicht von der
Fotolackschicht bedeckt sind. Somit ergeben sich P-
-Wannen, welche die aktiven Bereiche der N-Kanal-CMOS-FET- und der CTD-Bauelemente definieren. Infolge
der niedrigen Dosierung besitzen die P--Wannen in dem N--Substrat einen hohen spezifischen Widerstand.
Eine typische Dosierung der Ionenimplantation sollte etwa 5 χ 1012/cm2 betragen und die Implantationsenergie sollte bei 100 keV lieger,.
Das Ergebnis ist, daß die Schwellwertspannung der sich ergebenden N-Kanal-FET- und CTD-Bauelemente
niedrig und für jedes Bauelement gleich ist
Eine hohe Bor-Störstellenkonzentration ist jedoch in den Feldbereichen des N-Kanal-FET erwünscht, damit
sich eine hohe Feldschwellwertspannung ergibt. Hierzu wird ein zweiter Ionenirnplantationsschritt unter Verwendung
der gleichen Masken wie bei dem vorangegangenen implantationsschritt vorgenommen. Bei der
zweiten Ionenimplantation mit Borionen wird eine hohe Dosierung und eine niedrige Energie angewandt. Vorzugsweise
ist die Dosierung der Ionenimplantation größer als 10l3/cm2 und die Implantationsenergie geringer
als 40 keV.
In diesem Falle schützt die Siliciumnitridschicht 3 über dem von der Fotolackmaske freigelassenen aktiven
CTD-Bereich 6 und über dem Bereich 7 des N-Kanal-CMOS-FET das Substrat vor der Borimplantation.
Alle durch die Fotolackschicht 5 maskierten Bereiche werden ebenfalls geschützt. Hieraus ergeben isch höher
dotierte Feldbereiche mit niedrigerem spezifischem Widerstand, wobei ein* höhere Dichte durch eine größere
Anzahl von » + «-Zeichen in der P-Wanne verdeutlicht wird. Bereiche mit höherem spezifischem Widerstand
und geringerer Dichte bilden die Kanalbereiche des N-Kanalfeldeffektbauelements
und des N-Kanal CTD-Bauelements, welche einen höheren spezifischen Widerstand
erfordern, um eine niedrigere Schwellwertspannung zu erzielen.
Bei den vorgenannten Schritten werden die Wannen für die CTD- und für die FET-Bauelemente unter Bildung
der gleichen Masken hergestellt wobei ein hoher spezifischer Widerstand in den Kanalbereichen und ein
niedriger spezifischer Widerstand in den Feldbereichen erzielt wird. Die so hergestellten CTD- und FET-Bauelemente
sind elektrisch kompatibel, da sie auf dem gleichen Substrat vorhanden sind und gleichen Dotierungen
unterzogen wurden.
Die Fotolackschicht wird anschließend entfernt und die Siliciumdioxid- und die Siliciumnitridschicht 2 bzw. 3
werden als Maske verwendet wenn nunmehr das freiliegende Silicium bis zu einer Dicke von 1.5 μπι oxidiert
wird, was die Siliciumdioxidschicht 10 in Fig.4 ergibt
Eine dünne Siliciumdioxidschicht 11 wird über die Siliciumnitridschicht
3 aufgewachsen. Die Schichten 2,3 und 11 werden dann weggeätzt so daß die Schicht 10 mit
einer Dicke von etwa 13 μπι auf der Oberfläche zurückbleibt
Eine Siliciumdioxidschicht 12 wird nur auf die ireiliegenden
Siliciumbereiche gemäß Fig.5 aufgewachsen.
Eine Fotolackschicht 13 wird sodann aufgebracht, weiche den Gate-Elektrodenbereich des P--KanaI-FET
freiläßt Borionen werden nunmehr implantiert, wie dies durch die senkrechten Pfeile angedeutet wird und zwar
mit einer Dosierung von 2 χ 10"/cm2 und einer Energie
von. 40 kV, wodurch die P-'Kanal-FET-Schwellwertspannung
erniedrigt wird. Sollte es erwünscht sein, die N-Kanal-FET-Schwellwertspannung zu erhöhen, dann
kann gleichzeitig eine Borimplantation durch Öffnungen in der Fotolackmaske im Gate-EIektrodenbereich 7
vorgesehen werden, wie dies F i g. 5 zeigt Der spezifische Oberfiächenwiderstand des N-Kanal-FET würde
dann gleich einem Wert von zwei Ohm/cm "ein.
Es wird dann eine erste Schicht aus Polysiücium —
wie in Fig.6 gezeigt — abgelagert, um die Gate-Elektre
Jen 14 des CTD-Bauelements, die Gate-Elektrode 16 für den N-Kanal-FET und die Gate-Elektrode 17 für den
P-Kana!-FETzu bilden.
Eine Oxidschicht 18 wird dann über den Gate-Elektroden
des CTD-Bauelements aufgewachsen und zwar in einer Dicke von annähernd 60 nm. Eine zweite
Schicht Polysilicium wird dann über der Oxidschicht 18 aufgewachsen und durch Ätzen wird eine zweite Elektrode
19 des CTD-Bauelements gebildet, welche von
so den Gate-Elektroden 14 der ersten Ebene durch die Oxidschicht 18 isoliert ist. Die zweite Polysiliciumschicht
kann auch eine Gate-Elektrode für die P- und N-K«nal-FET-Baueiemente bilden, falls dies erwünscht
ist Diese letztere Ausbildung ist in F i g. 6 nicht gezeigt
5j und kann wahlwehc angewendet werden.
Ein Kondensator wird durch Verwendung der Schichten 14 und 19 als Elektroden gebildet, wenn die Schichten
14 derart dotiert werden, daß sie leitend sind. Die Siliciumdioxid-lsoiierschicht 18 bildet hierbei das Di-
eo elektrikum.
Die Siliciumdioxidschicht 12 wird nun in den Source- und Drain-Bereichen 20 der N-Kanal-FLT- und CTD-Bauelemente
unter Verwendung einer Fotolackmaske weggeätzt, wie dies in F i g. 7 veranschaulicht ist. Hier-
durch werden die Köchen 20 freigelegt, wo N+-DoUerungsstörstellen
einzuführen sind. Hierzu wird z. B. Phosphor in die freiliegenden Flächen 20 eindiffundiert
oder implantiert, damit sich N+ dotierte Bereiche 21
5 6 ';
ergeben. ·■-:?
elektroden 16,17 und 19 in ähnlicher Weise N + -dotiert, $
damit diese leitend werden. ff
Die an der Oberfläche des Substrats zu dotierenden s
Bereiche des P-Kanal-FET werden durch Ätzen der SiIiciumdioxidschicht 12 freigelegt Die Diffusion oder Implantation von Bor-Störstellen in die Oberfläche des
N--dotierten Siliciumsubstrats bewirkt die Bildung der
P* dotierten Bereiche 23. Anschließend wird eine Oxid- io schicht 22 aufgebracht.
Letztlich wird die Oberfläche unter Verwendung einer Fotolackmaske geätzt, um die Kontaktierungsbereiche freizulegen, auf denen nichtgezeigte leitende Kontakte angebracht werden. Hierbei handelt es sich um die 15
Source-Drain- und Gate-Elektrodenbereiche der N-Kanal und der P-Kanal-MOS-Bauelemente, die obere und
die unteren Elektroden des Kondensators und die Source- und Drain-Elektroden des CTD-Bauelements.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Claims (2)
1. Verfahren zur Bildung der Kanalbereiche und der Wannen von Halbleiterbauelementen auf einem
Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, bei welchem zuerst eine die Kanalbereiche abdeckende
Nitridschicht auf die Substratoberfläche aufgebracht wird, danach eine Fotolackschicht gebildet
wird, welche die Bereiche der Wannen frei läßt, sodann eine erste Implantation mit Ionen eines zum
ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps durch die Nitridschicht hindurch erfolgt
zur Bildung der Kanalbereiche, wobei die Fotolackschicht als Maske dient und schließlich in die Wannenbereiche
außerhalb der Kanalbereiche mit der Nitridschicht als Maske eine zweite Implantation
mit gleicher,. Ionen mit im Vergleich zur ersten Implantation
höherer Dosis und niedrigerer Energie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fotolackschicht (5) unmittelbar auf die Substratoberfläche aufgebracht wird, daß die erste Implantation
auch die außerhalb der Kanalbereiche (6, 7) liegenden Wannenbereiche erfaßt und daß bei der
unmittelbar an die erste Implantation sich anschließenden zweiten Implantation auch die Fotolackschicht
(5) als Maske dient
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß z.ur Bildung eines CTD-Ladungsspeichers
und eines Feldeffekttransistors auf dem gleichen Substrat nach dem Enfernen der Fotolackschicht
(5) eine nur die 'Kanalbereiche (6, 7) freilassende Oxidschicht (10) gebildet .aid eine weitere, die
Wanne des Ladungsspeichers abdeckende Fotolackschicht (13) aufgebracht wird, worauf sich eine den
Kanalbereich (7) des Feldeffekttransistors erfassende dritte Implantation mit den gleichen Ionen anschließt.
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