DE2247975B2

DE2247975B2 - Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren

Info

Publication number: DE2247975B2
Application number: DE2247975A
Authority: DE
Inventors: Jeno Dipl.-Phys. 8021 Neuried Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1979-03-15
Also published as: NL7313426A; FR2201541B1; FR2201541A1; JPS5550397B2; DE2247975A1; GB1417055A; US3859716A; DE2247975C3; IT993472B; JPS4973983A; LU68516A1; BE805480A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Substrat inselförmige Halbleitergebiete aufgebracht werden, diese Halbleitergebiete mit Source- und Drainzonen eines ersten und zweiten Leitungstyps versehen werden und auf die insetförmigen Halbleitergebiete Gate-Oxidschichten für die Transistoren aufgebracht werden.

Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren, und zwar speziell mit Silizium (ESFI-Komplementär-Kanal-MOS-Schaltkreise), und ihre Herstellungsverfahren sind bereits bekannt. Unter ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreisen (Epitaxial Silizium-Filme auf Isolatoren) werden Schaltkreise verstanden, bei denen Süiziunj-Rlme epitaktiseh auf Isolatoren, beispielsweise auf einem isolierenden Substrat aus Spinell oder Saphir abgeschieden werden. Zwischen den einzelnen Siliziuminseln befindet sich dabei Luft oder eine isolierende Zwischenschicht In den inselförmigen Siliziumhalbleiterschichten befinden sich durch Diffusion erzeugte Source- und Drainzonen. Ober dem Gebiet zwischen Source und Drain ist der Gateisolator, der gewöhnlich aus einer SiOrSchicht besteht, aufgebracht. Die Source- und Drainzonen und das Gate sind mit Elektroden, beispielsweise mit Aluminiumelektroden, versehen. Die Herstellung einer solchen Anordnung ist aus der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE, Vol.57. No.9, September 1969 zu entnehmen. ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreise sind schneller als MOS-Schaltkreise in massivem Silizium, da die pn-Übergangskapazitäten und die Kapazitäten zwischen den Metallisationen und dem Substrat praktisch entfallet?.

Aber auch bei den herkömmlichen ESFI-MOS-Schaltkreisen treten noch immer parasitäre Kapazitäten auf Infolge dieser ÜbeHappungskapazitäten zwischen der Gateelektrode und der Drainzone und zwischen der Gateelektrode und der Sourcezone ist die Funktionsgeschwindigkeit solcher Schaltkreise kleiner als bei Schaltkreisen, bei denen diese Kapazitäten nicht auftreten. Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Philips Technische Rundschau«, 31. Jahrgang, 1970/71, Seiten 278 — 281 zu entnehmen, daß zur Verminderung der parasitären Kapazitäten der Abstand zwischen Source- und Drainzone bei MOS-Transistoren sehr klein sein muß, weshalb zu deren Hersteilung das lonenimplantationsverfahren vorgeschlagen wird, wobei die Gateelektrode als Maske dient. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze.

Außerdem ist aus dem »IBM Technical Disclosure Bulletin«, VoI 12, No. 12, May 1970, die Herstellung von komplementären Feldeffekttransistoren in einer Massiv-Silizium-Technik zu entnehmen, bei der eine kombinierte Gallium-Phosphor-Diffusion durchgeführt wird. Dabei werden als Diffusionsmasken sowohl StOjals auch SijN< (Siliziumnitrid)-Schichten nebeneinander verwendet.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht in der Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren, insbesondere nach der ESFI-Technologie, bei denen

1. parasitäre Kapazitäten der herkömmlichen

ESFI-MOS-Schaltungen vermieden werden können und

2. die Herstellung des Schaltkreises ohne eine Doppelmaskierung erfolgt

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet Ut, daß auf den Gate-Oxidschichten und auf den freiliegenden Oberflächen der inselförmigen Halbleitergebiete eine Schicht aus Elektrodenmaterial aufgebracht wird, daß in einem ersten Ätzschritt über den Halbleitergebieten mit Source- und Drainzonen des ersten Leitungstyps erste öffnungen in der Schicht erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen den Source- und Drainzonen verbleibende Teil der Schicht erste Gateelektroden bildet, daß durch eine erste Ionenimplantation mit Ionen einer is ersten lonenart in vorgegebener Dosis durch die ersten öffnungen hindurch erste Bereiche des ersten Leitungstyps erzeugt werden, daß in einem zweiten Ätzschritt über den Halbleitergebieten mit Source- und Drainzonen des zweiten Leitungstyps zweite öffnungen in der Scnichi erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen den Source- und Drainzonen verbleibende Teil der Schicht zweite Gateelektroden bildet, und daß eine zweite Ionenimplantation mit Ionen einer zweiten lonenart, die einen zur ersten Sonenart entgegen- 2s gesetzten Leitungstyp ergibt und deren Dosis kleiner ist als die Dosis der ersten lonenart, durch die ersten und zweiten öffnungen hindurch vorgenommen wird, so daß unterhalb der zweiten Öffnungen zweite Bereiche des zweiten Leitungstyps entstehen, wogegen der Leitungstyp der ersten Bereiche unverändert bleibt.

Vorzugsweise werden zur η-Dotierung Phosphorionen implantiert und zur p-Dotierung Borionen implantiert.

Vorteilhafterweise kann für den selbstjustierenden Implantationsprozeß die Gateelektrode selbst als Maske verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß sowohl die Dotierung der n-Bereiche mit Donatoren als auch die Dotierung der p-Bereiche mit Akzeptoren aufeinanderfolgend durchgeführt werden kann, ohne daß bereits dotierte Bereiche wieder durch eine Schutzschicht abgedeckt werden müssen. Die Erfindung weist also den Vorteil auf, daß keine Doppelmaskierung erforderlich ist

Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung und seiner Weiterbildungen hervor.

In den F i g. I bis 3 sind einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt.

Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. Nachdem zunächst mit herkömmlichen ss Diffusions-, Oxydations- und photolithographischen Prozessen die ESFI-Komplemenlär-MOS-Schaltkreise nach Fig. 1 hergestellt werden, wird in einem Verfahrensschritt die Gateelektrodenschicht entweder über den mit Akzeptoren zu dotierenden oder den mit Donatoren zu dotierenden Halbleitergebieten teilweise entfernt, so daß an den dann freiliegenden Stellen durch Ionenimplantation Ionen einer ersten loncnarl einer vorgegebenen Dosis in die Bereiche unter den freiliegenden Sitllrn implantiert werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Metallschicht über den komplementär zu rotierenden Stellen der komplementären inselförmigen Halbleilcrgebieie entfernt. Alle nun freiliegenden Bereiche werden durch lonenimplan · tation mit Ionen einer zweiten lonensrt dotiert. Die Ionen der zweiten lonenart sind vom entgegengesetzten Dotierungstyp. Die Dosis der Ionen des zweiten Typs ist kleiner als die Dosis der Ionen des ersten Typs.

Die Gebiete, die zuerst implantiert wurden, enthalten nach den beiden abgeschlossenen Implantationsschritten die Ionen beider lonenarten. Da aber die Dosis der Ionen des ersten Dotierungstyps größer ist als die Dosis der Ionen des zweiten Dotierungstyps, wird der Dotierungstyp von der ersten lonenart bestimmt.

Für den selbstjustierenden Implantationsprozeß wird die Gateelektrodenschicht als Maske verwendet Die Ionenenergie muß so groß sein, daß die Ionen, die auf die Gateelektrodenschicht auftreffen, nicht in das Halbleitermaterial vordringen körnen, daß aber die Ionen, die auf den freiliegenden Gateisolator auftreffen, in das unter dem Gateisolator liegende Halbleitergebiet vordringen können.

Die endgültige Struktur der Metallisierungen läßt auch die Gebiete zwischen den einzelnen MOS-Transistoren frei Bei den vorliegenden ESFI-Komplementär-MOS-Schaltkreisen befindet sich zwischen den einzelnen inselförmigen Halbleitergebieten kein Halbleitermaterial, sondern Luft oder eine isolierende Zwischenschicht, auf die die beiden Implantationsschritte keinen Einfluß haben. Bei herkömmlichen Komplementär-MOS-Schaltkreisen in Massivsilizium wären jedoch zusätzliche Maskierungen und daher mehrere Prozeßschritte notwendig.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Komplementär-MOS-Schaltungen an Hand der F i g, 1 bis 3 beschrieben. In der F i g. 1 ist eine mit einer Aluminiiimschicht als Gateelektrodenschicht bedeckte Komplementär-MOS-Struktur dargestellt die zwei verschiedene, herkömmliche Transistortypen enthält Dabei sind in an sich bekannter W?ise auf einem isolierenden Substrat 1, das vorzugsweise aus Spinell oder Saphir besteht, die inseiförmigen HaIblei'crgebiete 2 und 22 aufgebracht. Als Halbleitermaterial dient vorzugsweise Silizium. Das eine Halbleitergebiet beispielsweise das Halblei:ergebiet 2, enthält die beiden diffundierten p-leitenden Gebiete 5 und 6, die als Source- bzw. abs Drainzone dienen. Das andere Halbleitergebiet beispielsweise das Halblettergebiet 22, enthält als Source und Drain die n-leitenden diffundierten Gebiete 55 bzw. 66. Auf den Halbleitergebieten ist jeweils zwischen Source und Drain ein Gateisolator 3 bzw. 33 angeordnet. Ais Material für den Gateisolator wird beispielsweise SiO? verwendet. Zwischen den inselförmigen Halbleitergebieten ist vorzugsweise eine Zwischenschicht angeordnet die beispielsweise aus S1O2 oder SijN* besteht. Die Zwischenschicht ist mit 15 bezeichnet. Auf den freiliegenden Oberflächen der Zwischenschichten 15, der Gateoxidschicht 3,33 und der inselförmigen Halbleitergebiete 2, 22 befindet sich eine Elektrodenschicht, die vorzugsweise aus aufgedampftem Alumimium besteht. Die Dicke dieser Aluminium Aufdampfschicht beträgt vorzugsweise 1 μπι. Das Aluminium ist in elektrischem Kontakt mit den diffundierten Gebieten.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht die Elektrodenschicht aus einem hochschmelzeiiden Elektrodenmaterial, beispielsweise aus Silizium oder Molybdän.

Im folgenden werden nun diejenigen Stellen der Aluminiumschicht über denjenigen Stellen der Halb-

lederschicht entfernt, in die Ionen implantiert werden sollen. Beispielsweise werden, wie aus der I" i g. 2 ersichtlich, Aussparungen 7 und 8 in die Aluminiumschicht geätzt. Es werden nun durch die Aussparungen 7 und 8 hindurch beispielsweise Donatoren in die Bereiche Il und 12 des Halblcitcrgebietcs 22 implantiert. Dabei erfolgt die Ionenimplantation so lange, bis in dem Halbleitergebicl eine vorgegebene Konzentration der Donatoren erreicht ist. In den nicht diffundierten Bereichen 11 und 12 wird die Dotierungskonzentration von dem implantierten Dolierstoff bestimmt. Die Implantation beeinflußt die diffundierten Gebiete nicht. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, werden nun in einem weiteren Verfahrensschritt Aussparungen 9 und 10 in die Aluminiumschichi geätzt, gleichzeitig wird in demselben Ätzschritt die endgültige Metallisierung hergestellt. Die Implantation von Ionen in frei liegende Gebiete auch außerhalb der bereits implantierten Gebiete ist nicht störend. Nach diesem Ätzvorgang besitzt also die Leiterbahnanordnung ihre endgültige Form. Im nächsten Verfahrensschritt werden nun Akzeptoren mittels Ionenimplantation in die Struktur eingebracht. Dabei erfolgt die Implantation so lange, bis in den Gebieten 13 und 14 eine vorgegebene Konzentration der Akzeptoren erreicht ist. Die Dosis der Akzeptoren, die in die Gebiete 11 und \2 implantiert werden, ist kleiner als die Dosis der ursprünglich in die Gebiete Il und 12 implantierten Donatoren. Da nach der unten beschriebenen Aktivierung die Konzentration der Donatoren, die in die Gebiete 11 und 12 implantiert wurden, größer ist als die Konzentration der Akzeptoren, die in diese Gebiete implantiert wurden, sind diese Gebiete n-leitend.

Nach der Implantation werden die implantierten Bereiche aktiviert. Dazu wird die Halbleiteranordnung vorzugsweise 10 bis 20 min lang auf etwa 500"C erhitzt. Diese Temperung bewirkt, daß die implantierten Ionen, die zunächst elektrisch in-aktive /wischcngitlerplätze einnehmen, auf elektrisch aktive Gitterplätze übergehen.

Donatoren und Akzeptoren sind unterschiedlich aktivierbar, d. h. das Verhältnis der Anzahl der implantierten Ionen zu der Anzahl der Ionen, die elektrisch aktive Gitterpliitze einnehmen, ist nach der Aktivierung für Donatoren und Akzeptoren unterschiedlich. Deshalb wird die Akzeptorionen- und Donalorionendosis so ausgewählt, dall nach der Aktivierung in den Bereichen 11 und M die Uonatorcnkonzentration größer ist als die Akzeptorenkonzentration.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, durch Ionenimplantation mit p-Dotierung zuerst die positiven Source- und Orainzoncn her/ustellen und anschließend nach dem zweiten Ätzvorgang durch weitere Ionenimplantation in den dazu komplementären Halbleitcrgebietcn die n-Gcbicic herzustellen. Die .»uerst implantierte Dosis des Dotierungsmaterial muß größer sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Dünn-Schicht-Schaltungen mit komplementären MOS-Transistoren, bei dem auf ein elektrisch isolierendes Substrat inselförmige Halbleitergebiete aufgebracht werden, diese Halbleitergebiete mit Source- und Drainzonen eines ersten und zweiten to Leitungstyps versehen werden und auf die inselförmigen Halbleitergebiete Gate-Oxidschichten für die Transistoren aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Gate-Oxidschichten (3, 33) und auf den freiliegenden 'S Oberflächen der inselförmigen Halblettergebiete (2, 22) eine Schicht (4) aus Elektrodenmaterial aufgebracht wird, daß in einem ersten Ätzschritt über den Halbleitergebieten (22) mit Source- und Draiiizonen (55,66) äts ersten Leitungstyps erste öffnungen (7, S) in der Schicht (4) erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen den Source- und Drainzonen (55, 66) verbleibende Teil der Schicht (4) erste Gateelektroden (4) bildet, daß durch eine erste Ionenimplantation mit Ionen einer ersten Ionenart in vorgegebener Dosis durch die ersten Öffnungen (7,8) hindurch erste Bereiche (11, 12) des ersten Leitungstyps erzeugt werden, daß in einem zweiten Ätzschritt über den Halbleitergebieten (2) mit Source- und Drainzonen (5, 6) des zweiten Leitungstyps zweite öffnungen l°i, 10) in der Schicht (4) erzeugt werden, wobei der jeweils zwischen den Source- und DrainzofKn (5, 6) verbleibende Teil der Schicht (4) zweite Gateelektroden (4) bildet, und daß eine /weite Ionenimplantation mii Ionen einer zweiten lonenart, die einen zur ersten lonenart entgegengesetzten Leitungstyp ergibt und deren Dosis kleiner ist als die Dosis der ersten lonenart, durch die ersten und zweiten öffnungen (7,8; 9,10) hindurch vorgenommen wird, so daß unterhalb der zweiten «0 öffnungen (9, IG) zweite Bereiche (13, 14) des zweiten Leitungstynis entstehen, wogegen der Leitungstyp der ersten Bereiche (U, 12) unverändert bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierten Bereiche (II, 12,13, 14) nach der zweiten Ionenimplantation durch Tempern aktiviert werden.

3. Verfahren nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Spinell oder so aus Saphir besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inselförmigen Halbleitergebiete (2,22) aus Silizium oder aus Galliumarsenid bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gateelektrodenmaterial (4) Aluminium verwendet wird und daß die implantierten Bereiche (II, 12,13, 14) 10 bis 20 min bei etwa 500° C in einer Wasserstoffatmosphäre aktiviert werden.

6. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateelektrodenmaterial (4) aus einem hochschmelzenden Material besteht und daß die implantierten Bereiche (U, 12, 13, 14) bei Temperaturen, die höher als 500° C sind, aktiviert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateelektrodenmaterial (4) aus Silizium oder aus Molybdän besteht.