-
Selbstjustierter Leistungs-MOSFET mit integralem Source-
-
Basis-Kurz schluß und Verfahren zum Herstellen derselben Die Erfindung
bezieht sich allgemein auf Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) die in Doppeldiffusionstechnik hergestellt werden, und betrifft insbesondere
Verfahren zum Herstellen solcher Transistoren mit einem Minimum an Maskierschritten,
Verfahren zum Bilden von ohmschen Kurzschlüssen zwischen der Source- und Basisschicht
während des Herstellens dieser Transistoren sowie so hergestellte Transistoren.
-
Bekannte Leistungs-MOSFETs enthalten im allgemeinen eine Vielzahl
von einzelnen Einheitszellen (deren Zahl in die Tausende geht), die auf einer einzelnen
Siliciumhalbleiterscheibe gebildet sind, wobei jede Vorrichtung eine Größe in der
Größenordnung von 7,6 mm (0.3 in. im Quadrat hat und wobei sämtliche Zellen in jeder
Vorrichtung elektrisch parallel geschaltet sind. Jede Zelle hat typischerweise eine
Breite
zwischen 5 und 50 #m. Ein besonderer bekannter Prozeß zum Herstellen von Leistungs-MOSFETs
ist, wie im folgenden ausführlicher beschrieben, eine Doppeldiffusionstechnik, die
mit einer gemeinsamen Drainzone aus Halbleitermaterial, beispielsweise vom N-Typ,beginnt.
Speziell innerhalb der Drainzone wird eine Basiszone mittels einer ersten Diffusion
gebildet, und dann wird eine Sourcezone gänzlich innerhalb der Basiszone mittels
einer zweiten Diffusion gebildet. Wenn die Drainzone vom N-Typ ist, dann erfolgt
die erste Diffusion mit Akzeptorverunreinigungen, um eine Basiszone vom P-Typ herzustellen,
und die zweite Diffusion erfolgt mit Donatorverunreinigungen, um eine Sourcezone
vom N -Typ herzustellen.
-
In einem Leistungs-MOSFET-Aufbau entsprechen die Source-, die Basis-
und die Drainzone dem Emitter, der Basis bzw. dem Kollektor eines parasitären Bipolartransistors.
Wenn diesem parasitären Bipolartransistor gestattet wird, während des Betriebes
des Leistungs-MOSFET einzuschalten, werden bekanntlich die Sperrspannung und der
dV/dt-Nennwert des Leistungs-MOSFET wesentlich verschlechtert. Zum Verhindern des
Einschaltens des parasitären Bipolartransistors während des Betriebes des Leistungs-MOSFET
werden demgemäß die Schichten, die die Source- und die Basiszone enthalten, normalerweise
mittels einer ohmschen Verbindung miteinander kurzgeschlossen.
-
Bekannte Leistungs-MOSFET-Herstellungsverfahren erfordern bis zu sechs
Maskierschritte, von denen einige in bezug aufeinander mit großer Genauigkeit justiert
werden müssen, damit funktionsfähige Vorrichtungen hergestellt werden. Insbesondere
zum Bilden des Source-Basis-Kurzschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Diffusionsschritt
wird eine Diffusionsbarriere aufgebracht, indem ein Teil der Basisdiffusionsoberfläche
auf ausgewählte Weise maskiert wird, um die anschliessende Sourcediffusion daran
zu hindern, in diesem Bereich in
die Basisdiffusion einzudringen.
Danach wird die Metallisierung für die Sourceelektrode aufgebracht, und ein Teil
der Sourcemetallisierung stellt außerdem einen ohmschen Kontakt mit dem zuvor maskierten
Bereich der Basiszone her.
-
Bei dieser bekannten Technik zum Herstellen von Leistungs-MOSFETs
muß nicht nur das Maskierungsmuster zum Bilden der Source-Basis-Kurzschlüsse in
einem speziellen Herstellungsschritt präzise justiert werden, sondern der Kurzschluß
nimmt auch einen beträchtlichen Bruchteil des Bereiches der MOSFET-Einheitszelle
ein, ohne zu deren Leitfähigkeit während des Ein-Zustands beizutragen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen doppeltdiffundierten Leistungs-MOSFET
zu schaffen, der unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Maskierungsschritten
hergestellt werden kann.
-
Weiter sollen zum Bilden von integralen Source-Basis-Kurzschlüssen
in doppeltdiffundierten Leistungs-MOSEFETs Verfahren geschaffen werden, die entweder
bei MOSFETs brauchbar sind, welche durch bekannte Maskierprozeduren gebildet werden,
oder bei denen, die durch die hier beschriebene Maskierprozedur gebildet werden.
-
Kurz gesagt und in einer Ausgestaltung der Erfindung enthält ein doppeltdiffundierter
-Leistungs-MOSFET einzelne Zellen, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind,
das eine Drainzone eines Leitungstyps, beispielsweise vom N-Typ, und mit einerHauptfläche
hat. Ein metallisierterDrainanschluß ist mit der Drainzone elektrisch verbunden,
typischerweise auf deren anderer Fläche. Zum Festlegen einer Basiszone wird eine
erste Zone entgegengesetzten Leitungstyps (in diesem Beispiel vom P-Typ) in der
Drainzone gebildet. Die erste Zone hat eine begrenzte laterale Ausdehnung und hat
einen Umfang, der an der
Hauptfläche endigt. Zum Festlegen einer
Sourcezone wird eine zweite Zone des einen Leitungstyps (in diesem Beispiel vom
N-Typ) gänzlich innerhalb der Basiszone gebildet, aber mit kleinerer lateraler Ausdehnung
und Tiefe als diese. Die zweite Zone hat einen Umfang, der an der Hauptfläche innerhalb
des Umfangs und mit Abstand von dem Umfang der Basiszone endigt, so daß an der Hauptfläche
die Basiszone als ein Band des entgegengesetzten Leitungstyps (in diesem Beispiel
Halbleitermaterial vom P-Typ) zwischen der Sourcezone und der Drainzone, beide aus
Halbleitermaterial vom N-Typ, vorhanden ist. Ein Sourceanschluß ist mit der zweiten
Zone elektrisch verbunden. Eine leitende Gateelektrode und eine Gateisolierschicht
sind auf der Hauptfläche wenigstens lateral über dem Band der ersten Zone gebildet,
und ein Gateanschluß ist mit der Gateelektrode elektrisch verbunden.
-
Schließlich ist ein ohmscher Kurzschluß zwischen der ersten und der
zweiten Zone (der Basis- und der Sourcezone) unterhalb der Hauptfläche gebildet.
-
In einer Ausführungsform des ohmschen Kurzschlusses zwischen der Basis
und der Sourcezone weist der Sourceanschluß eine metallische Elektrode, vorzugsweise
aus Aluminium, auf, die über der Sourcezone aufgebracht ist, und der ohmsche Kurzschluß
weist wenigstens eine Mikrolegierungsspitze auf, die sich von der Sourceanschlußmetallelektrode
durch die zweite Zone und teilweise in die erste Zone erstreckt. Diese Mikrolegierungsspitzen
werden durch Erhitzen des Halbleitersubstrats, nachdem die metallische Elektrode
unter geeigneten Bedingungen aufgebracht worden ist, gebildet.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird eine V-Nut durch Vorzugsätzung
in der Source- und der Basiszone gebildet. Insbesondere erstreckt sich die V-Nut
durch die Sourcezone, wobei sich der Grund der V-Nut nur teilweise in die Basis
zone erstreckt. Eine metallische Sourceelektrode wird über der
Sourcezone
und in die V-Nut in ohmschem Kontakt sowohl mit der Source- als auch mit der Basiszone
aufgebracht, um den Sourceanschluß und den ohmschen Kurzschluß zu bilden.
-
Aus vorstehenden Darlegungen und aus der folgenden aus für lichen
Beschreibung geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Verfahren zum Bilden der integralen
Source-Basis-Kurzschlüsse und die so gebildeten Kurzschlüsse ein extrem bedeutsamer
Aspekt sind, weil sie den gesamten MOSFET-Aufbau und das gesamte Herstellungsverfahren
mit Selbstjustierung und einer minimalen Anzahl von Maskierschritten erleichtern.
-
Kurz gesagt und gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beginnt
ein Verfahren zum Herstellen eines doppeltdiffundierten Leistungs-MOSFET mit dem
Schritt des Bereitstellens eines Siliciumhalbleiterscheibensubstrats#, das eine
Drainzone eines Leitungstyps, beispielsweise vom N-Typ, enthält, die eine Hauptfläche
hat. Danach werden eine erste oder Gateisolierschicht, eine leitende Gateelektrodenschicht
(beispielsweise stark dotiertes polykristallines Silicium vom N+ -Typ), eine zweite
Isolierschicht und eine dritte Isolierschicht auf der Hauptfläche nacheinander gebildet,
wobei die dritte Isolierschicht die oberste ist.
-
Bedeutsam ist, daß insgesamt nur drei Maskierschritte erforderlich
sind. Die erste Maske wird über der dritten Isolierschicht mit einem Fenster zum
schließlichen Festlegen wenigstens einer Basiszone und wenigstens einer Sourcezone
aufgebracht. Danach werden durch aufeinanderfolgende Ätzschritte durch die Fenster
in der ersten Maske festgelegte Öffnungen wenigstens in der dritten Isolierschicht,
der zweiten Isolierschicht und der leitenden Gateelektrodenschicht hergestellt.
-
Während des Ätzens erfolgt das Unterhöhlen der leitenden Gateschicht.
Die erste Maske wird dann entfernt.
-
Danach werden zwei Verunreinigungseinleitungsschritte ausgeführt,
wobei die Fenster in den verschiedenen Isolierschichten
als Verunreinigungsbarrieren
dienen. In dem ersten Einleitungsschritt wird eine Basiszone festgelegt, indem in
die Drainzone durch die durch die erste Maske festgelegten Öffnungen hindurch geeignete
Verunreinigungen eingeleitet werden, um eine erste Zone zu bilden, deren Leitungstyp
zu dem der Drainzone entgegengesetzt ist, beispielsweise Akzeptorverunreinigungen,um
Halbleitermaterial vom P-Typ zu bilden. Die laterale Ausdehnung der Basiszone wird
zum Teil durch die Größe der durch diese erste Maske festgelegten Öffnungen sowie
durch die Dauer des Einleitens von Verunreinigungen und durch andere Verfahrensparameter
bestimmt.
-
Die Sourcezone wird durch den zweiten Verunreinigungseinleitungsschritt
festgelegt, der beinhaltet, in die Basiszone ebenfalls über die durch die erste
Maske festgelegten Öffnungen Verunreinigungen einzuleiten, um eine zweite Zone des
einen Leitungstyps (in diesem Beispiel vom N-Typ) zu bilden.
-
Bedeutsam ist, daß keine zusätzliche Verunreinigungsbarriere über
irgendeinem Teil der Basiszone erforderlich ist. Die Sourcezone wird gänzlich innerhalb
der Basiszone gebildet, so daß die erste Zone in der Hauptfläche als ein Band entgegengesetzten
Leitungstyps zwischen der Source- und der Drainzone vorhanden ist. Während der Sourceeinleitung
wird eine Schicht aus Siliciumdioxid wenigstens auf den Seitenwänden der Öffnung
in der Gateelektrodenschicht aufwachsen gelassen.
-
Danach wird eine Isolierschicht auf der Oberfläche der Sourcezone
mit einem kollimierten Strahl in einem Bereich entfernt, der durch die Öffnung festgelegt
ist, die in der dritten Isolierschicht durch die erste Maske festgelegt ist. Der'kollimierte
Strahl gestattet, daß dieses Ätzen vor sich geht, ohne daß die Siliciumdioxidschicht
auf den Seitenwänden der Öffnung in den Gateelektrodenschichten entfernt wird.
-
Der zweite Maskierschritt legt Gatekontaktbereiche -auf einem Teil
der Vorrichtung fest, bei dem es sich nicht um den Ort
der Sourcezone
handelt. Unter Verwendung von Fenstern in der zweiten Maske werden die dritte Isolierschicht
und die zweite Isolierschicht nacheinander durchgeätzt bis zu der Gateelektrodenschicht
aus polykristallinem Silicium. Anschließend wird die zweite Maske entfernt Danach
wird Elektrodenmetall, wie beispielsweise Aluminium, auf die Scheibe aufgebracht
und dann mittels einer dritten Maske gemustert, um Source- und Gateelektrodenschichten
zu bilden.
-
Schließlich wird zum Herstellen eines ohmschen Kurzschlusses zwischen
der ersten und der zweiten Zone, die die Basis- und die Sourcezone bilden, die Scheibe
erhitzt, um wenigstens eine Mikrolegierungsspitze zu bilden, die sich von der metallischen
Sourceelektrode aus durch die Sourcezone und teilweise in die Basiszone erstreckt.
-
Durch ein weiteres Verfahren nach der Erfindung wird die Gesamtvorrichtung
auf ähnliche Weise gebildet. Der Source-Basis-Kurz schluß wird aber durch Vorzugsätzung
gebildet, um eine V-Nut zu bilden, die dann mit dem Sourceelektrodenmaterial gefüllt
wird, das sowohl mit der Source- als auch mit der Basiszone in ohmschem Kontakt
ist Nachdem die Isolierschicht auf der Oberfläche der Sourcezone mit einem kollimierten
Strahl entfernt worden ist, werden die zweite und die erste Schicht bevorzugt geätzt,
um eine V-Nut zu bilden, die sich durch die zweite Zone erstreckt und deren Grund
sich nur teilweise in die erste Zone erstreckt.
-
An diesem Punkt wird die zweite Maske mit Fenstern zum Festlegen des
Gatekontaktbereiches geschaffen, uM die dritte Isolierschicht und die zweite Isolierschicht
werden nacheinander durchgeätzt, um eine Öffnung für die Gateelektrode zu bilden.
Die zweite Maske wird entfernt.
-
Schließlich wird die Scheibe mit Elektrodenmetall überzogen und dann
mittels einer dritten Maske gemustert, um Source-und Gateelektrodenschichten zu
bilden. Die Sourceschicht erstreckt sich in die V-Nut in ohmschem Kontakt sowohl
mit der zweiten als auch mit der ersten Zone.
-
Die Verfahren nach der Erfindung zum Bilden von Source-Basis-Kurzschlüssen
slnd zwar besonders vorteilhaft, wenn sie in Kombinatin mit der Minimalmaskiertechnik
nach der Erfindung angewandt werden, die einen doppeltdiffundierten Leistungs-MOSFET
mit selbstjustierten Kanälen ergibt, sie sind aber auch bei Leistungs-MOSFETs anwendbar,
die mittels anderer Techniken gebildet werden.
-
Mehrere Ausf#ührungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
-
Es zeigt Fig. 1 eine Querschnittansicht, die einen Schritt bei der
Herstellung eines doppeltdiffundierten Leistungs-MOSFET veranschaulicht, bei welchem
Diffusionsbarrieren für Basiskurzschlußstäbe noch vorhanden sind, Fig. 2 eine Querschnittansicht
eines bekannten doppeltdifundierten Leistungs-MOSFET, der im wesentlichen fertiggestellt
ist, Fig. 3 eine Halbleiterscheibe nach der ersten Bearbeitung zum Bilden einer
selbstjustierten Leistungs-MOSFET-Zelle nach der Erfindung, Fig. 4 den Zustand der
Zelle nach einem anschliessenden Schritt, in welchem die oberen vier Schichten durchgeätzt
worden sind und eine erste Maske entfernt worden ist,
Fig. 5 die
Scheibe nach der Basis- und der Sourcediffusion, Fig. 6 das Entfernen von ueber
der Sourcezone aufgewachsene!m Oxid mittels eines kollimierten Strahls, Fig. 7.
den zweiten Maskierschritt und das anschliessende Ätzen zum Freilegen der Gateelektrode,
Fig. 8 die Metallisierung der Source- und der Gateelektrode, die in Kombination
mit einem dritten Maskierschritt aufgebracht wird, Fig. 9 integrale Source-Basis-Kurzschlüsse,
die durch die Mikrolegierungstechnik nach der Erfindung gebildet worden sind, Fig.
10 eine V-Nut, die durch Vorzugsätzung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
gebildet worden ist, und Fig. 11 eine Einheitszelle mit einem integralen Source-Basis-Kurzschluß,
der durch Füllen der V-Nut mit Metallisierung gebildet worden ist.
-
An Hand der Einzelheiten einer Ausführungsform eines bekannten doppeltdiffundierten
Leistungs-MOSFET, der hier mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wird, wird
die Erfindung besser verständlich. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte
MOSFET-Herstelltechnik erfordert bis zu sechs Maskierschritte, die in bezug aufeinander
mit großer Genauigkeit justiert werden müssen, damit sich funktionsfähige Vorrichtungen
herstellen lassen.
-
Gemäß Fig. 2 enthält ein bekannter Leistungs-MOSFET mehrere Einheitszellen
16, deren Zahl in die Tausende geht, gebildet in einer einzelnen Halbleiterscheibe
18 und auf jeder Vorrichtung elektrisch parallel geschaltet. Die Einheitszellen
16 haben eine gemeinsame Drainzone 20 aus Siliciumhalbleitermaterial vom N- oder
N -Typ, mit der eine gemeinsame Metallelektrode 22 über ein stark dotiertes N +
-Substrat 24 in ohmschem Kontakt ist.
-
Die Einheitszellen 16 haben individuelle Source- und Basiszonen 26
bzw. 28, die durch eine im folgenden beschriebene Doppeldiffusionstechnik hergestellt
worden sind. Auf der Substratoberfläche 29 ist jede Basiszone 28 als ein Band 30
aus Halbleitermaterial vom P-Typ zwischen der Sourcezone 26 und der Drainzone 20,
die jeweils vom N-Typ sind, vorhanden.
-
Eine Metallelektrode 32 überdeckt den größten Teil der Vorrichtung
und ist in ohmschem Kontakt sowohl mit der Sourcezone 26 als auch mit der Basiszone
28, wobei der Kontakt mit jeder Basiszone 28 durch einen bis zu der Oberfläche der
Halbleiterscheibe reichenden Fortsatz 34 der Basiszone 28 erleichtert wird. Dieser
Fortsatz 34 kann als ein Kurz schlußstab angesehen werden und nimmt notwendigerweise
Fläche in Anspruch. Die Metallelektrode 32 dient daher nicht nur als ein gemeinsamer
Sourcekontakt sondern auch als der erforderliche Source-Basis-Kurzschluß.
-
Zum Herstellen eines Anreicherungsbetriebskanals für den Feldeffekttransistorbetrieb
ist eine leitende Gateelektrode 36, getrennt durch eine isolierende Gateoxidschicht-38,
auf der Oberfläche 29 der Halbleiterscheibe 18 wenigstens lateral über dem Band
30 aus Material vom P-Typ, das die Basiszone 28 bildet, angeordnet. Viele MOSFETs
enthalten zwar eine Metallgateelektrode, zur einfacheren Fertigung von Leistungs-MOSFETs
wird jedoch typischerweise eine äquivalente, stark dotierte und deshalb gut leitende
Schicht aus polykristallinem Silicium verwendet, und der Name MOSFET wird beibehalten.
Die
einzelnen Abschnitte 36 des Gateelektrodenmaterials bilden eine einzelne perforierte
Schicht und sind daher elektrisch miteinander verbunden, obgleich das aus der Querschnittansicht
in Fig. 2 nicht zu erkennen ist.
-
Die oberen Flächen der Gateelektrodenabschnitte 36 sind durch eine
geeignete Isolierung geschützt, beispielsweise durch eine Siliciumdioxidschicht
40 und eine Siliciumnitridschicht 42.
-
Für Gateanschlüsse sind Gatekontaktfenster 44 vorgesehen, und eine
Metallisierung 46 wird über die Fenster mit dem Gateelektrodenmaterial 36 in ohmschen
Kontakt gebracht. Die obere Fläche der fertiggestellten Vorrichtung ist im wesentlichen
vollständig mit Metallisierung bedeckt, mit Ausnahme von Isolierspalten 48 zwischen
der Source-Basis-Metallisierung 32 und der Gatemetallisierung 46.
-
Es wird eine Vielzahl von Zellen 16 gebildet, deren Zahl in die Tausende
geht, wie oben erwähnt. Es ist hier keine besondere Draufsicht dargestellt worden,
weil eine Vielzahl bekannter Anordnungen geeignet ist, Beispielsweise können die
einzelnen Zellen 16 in einem eng gepackten Sechseckmuster, in Quadraten oder in
rechteckigen Streifen angeordnet werden.
-
Es gibt zwar viele Tausende von Einheitszellen 76, es sind jedoch
nur wenige Gatekontaktfenster 44 vorgesehen. Aufgrund des relativ niedrigen Gatestroms,
der fließt, ist ein extrem niedriger Widerstand für die miteinander verbundenen
Gateelektroden nicht erforderlich.
-
Im Betrieb ist jede Einheitszelle 16 normalerweise nichtleitend, bei
einer relativ hohen Stehspannung. Wenn eine positive Spannung an die Gateelektrodenscbicht
36 über die Gateanschlußmetallisierung 46 angelegt wird, wird ein elektrisches Feld
aufgebaut, das sich über die Gateisolierschicht 38 in die Basiszone 28 erstreckt
und einen dünnen leitenden N-Kanal unmittel unmittelbar unter der Oberfläche 29
unterhalb
der Gateelektrode 36 und der Isolierschicht 38 induziert.
-
X positiver die Gatespannung wird, um so dicker wird bekanntlich dieser
leitende Kanal und um so mehr Arbeitsstrom fließt.
-
Der Strom fließt horizontal nahe der Oberfläche 29 zwischen der Sourcezone
26 und der Drainzone 20 und dann vertikal durch die übrige Drainzone 20 und über
das Substrat 24 zu dem metallischen Drainnschluß 22.
-
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Stand der Technik beginnt
ein typischer bekannter Herstellungsprozeß mit einer N/N -Epitaxialscheibe 18 geeigneter
epitaxialer Dicke und geeigneten spezifischen Widerstands zum Führen der gewünschten
Spannung. Die Scheibe 18 enthält das N -Siliciumsubstrat 24, das eine Dicke von
ungefähr 0,38 am (15 mils) und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung
von 0,01 Q cm hat. Der N-dotierte Teil 20 der Scheibe 18 bildet schließlich eine
gemeinsame Drainzone 20 des Leistungs-MOSFET.
-
Die Scheibe 18 und insbesondere die Drainzone 20 haben eine Hauptfläche
29 an ihrer oberen Seite, auf die eine Anzahl von Schichten nacheinander aufgebracht
wird. Zuerst iäßt man die Gateoxidschicht 38 auf der Oberfläche 29 der Drainzone
20 durch Erhitzen in einem Ofen in Gegenwart von Sauerstoff aufwachsen. Danach wird
die gut leitende Gateelektrodenschicht 36 aus polykristallinem Silicium aufgebracht,
die beispielsweise aus 1,1 Am polykristallinem Silicium bestehen kann, das stark
dotiert worden ist, beispielsweise mit Phosphor.
-
Danach wächst eine weitere Schicht 40 aus Siliciumdioxid an der Oberseite
der aus polykristallinem Silicium bestehenden Gateschicht 36 auf. Daran schließt
sich in einigen Fällen das Aufbringen der oberen Schicht 42 aus Siliciumnitrid an.
-
Nachdem die Scheibe und die gleichmäßigen Oberflächenschichten fertiggestellt
sind, wird eine Feingeometriephotolackmaske
(nicht gezeigt) aufgebracht,
um die Lage der P-Diffusionen für die Basiszonen festzulegen, und die vier oberen
Schichten 42, 40, 36 und 38 werden bis zu der Oberfläche 29 der Drainzone 20 geeignet
durchgeätzt. Daran anschließend wird zum Bilden der Basiszone 28 eine P-Diffusion
ausgeführt, beispielsweise 3 Am dick, indem geeignete Akzeptorverunreinigungen in
die Drainzone 20 eindiffundiert werden. Man läßt eine Oxidschicht 52 vorübergehend
auf der Scheibenoberfläche 29 gleichzeitig mit der P-Diffusion aufwachsen.
-
Danach wird in diesem bekannten Verfahren vor der zweiten Diffusion
eine Diffusionssperre, die Teile der Oxidschicht 52 umfaßt, mittels einer Feingeometriephotolackmaske
(nicht gezeigt) gebildet, die eine relativ präzise Justierung erfordert, um die
Oxidschicht 52, die während des ersten Diffusionsschrittes aufgewachsen ist, nur
über einem Teil der Basiszone stehenzulassen.
-
Nach dem Entfernen der Photolackmaske wird der zweite Diffusionsschritt
ausgeführt, indem geeignete Donatorverunreiniqungen in die Basiszone eindiffundiert
werden, um die N -Sourcezonen 26 zu bilden. Gleichzeitig läßt man eine Oxidlippe
54 am Rand der aus polykristallinem Silicium bestehenden Gateelektrode 36 aufwachsen.
-
Danach wird eine Schicht aus Siliciumdioxid (nicht gezeigt) über der
gesamten Oberfläche der Scheibe aufgebracht, und eine dritte Maske zum Festlegen
der Kontaktbereiche wird geschaffen. Mittels dieser dritten Maske wird das Oxid
52 über dem Fortsatz 34 der P-Basiszone 28 sowie das soeben aufgebrachte Siliciumdioxid
über der N + -Sourcezone 26 bis zu der Oberfläche durchgeätzt. Die oberen Schichten
42 und 40 werden ebenfalls durchgeätzt, um das Gatekontaktfenster 44 zu bilden.
-
Danach wird Metall, vorzugsweise Aluminium, auf die Scheibe mittels
einer weiteren Maske aufgedampft und geätzt, so daß die Elektrodenmetallisierung
32 und 46 über im wesentlichen der gesamten Zelle 16 stehenbleibt, mit Ausahme der
Isolierspalte 48, die den Gateelektrodenanschluß 46 umgeben. Bei diesem bekannten
Aufbau stellt die Sourceelektrode 32 ohmschen Kontakt sowohl mit der Sourcezone
26 als auch mit der P-Basiszone 28 ueber den Fortsatz 34 her. Es wird auf diese
Weise ein Source-Basis-Kurzschluß geschaffen, um das Einschalten des parasitären
Bipolartransistors zu verhindern.
-
Es ist zu erkennen, daß dieses herkömmliche Verfahren zum Bilden eines
Leistungs-MOSFET mit integralem Kurzschluß zwischen der Source- und der Basiszone
eine Anzahl von Maskierschritten, Justierungen sowie eine Source-Diffusionsbarriere
erfordert.
-
Die übrigen Fig. 3 - 11 zeigen Verfahren nach der Erfindung und dadurch
hergestellte Leistungs-MOSFETs.
-
Gemäß Fig. 3 beginnt die Bildung eines selbstjustierten doppeltdiffundierten
Leistungs-MOSFET mit integralem Source-Basis-Kurzschluß gemäß der Erfindung mit
einer N/N+-Epitaxialscheibe 60, die ein stark dotiertes N + -Ausgangssubstrat 62
und eine epitaxial aufgewachsene Drainzone 64 aus einem Halbleitermaterial eines
Leitungstyps, beispielsweise vom N-Typ, mit einer Hauptoberfläche 66 hat. Danach
wird eine erste- oder Gateisolierschicht 68 gebildet, und zwar vorzugsweise in Form
einer einzelnen Schicht aus Siliciumdioxid, welches durch Erhitzen der Scheibe 60
in einem Ofen in Gegenwart von Sauerstoff aufwächst. Statt dessen könnte die erste
Isolierschicht 68 beispielsweise aus einer Schicht aus Siliciumdioxid bestehen,
das auf vorgenannte Weise aufgewachsen ist und auf das eine Schicht aus Siliciumnitrid
aufgebracht ist. Daran schließt sich das Aufbringen der leitenden Gateelektrodenschicht
70
an, die beispielsweise aus einer 1,1 ßm dicken Schicht aus polykristallinem Silicium
bestehen kann, das stark mit Phosphor dotiert worden ist, um eine gut leitende N
+ -Schicht zu bilden. In diesem Aufbau besteht die Gateelektrode somit tatsächlich
nicht aus Metall, ist aber das elektrische Äquivalent Danach wird eine zweite Isolierschicht
72, die vorzugsweise aus einer einzelnen Siliciumdioxidschicht besteht, auf der
aus polykristallinem Silicium bestehenden Schicht 70 gebildet. Die zweite Isolierschicht
ist typischerweise 600 bis 700 nm (6000 - 7000 A) dick, um eine gute dielektrische
Isolierung zwischen einer fertiggestellten leitenden Gateschicht 70 und einer fertiggestellten
Sourceelektrodenschicht 102 zu schaffen, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Anschließend
an das Bilden der zweiten Isolierschicht 72 wird auf die Oberseite der Schicht 72
eine dritte Isolierschicht 74- aufgebracht, die vorzugsweise aus einer einzelnen
Siliciumnitridschicht oder statt dessen beispielsweise aus einer einzelnen Aluminiumoxidschicht
besteht. (#Der Zweck, dem die dritte Isolierschicht 74 dient, ist unten erläutert.)
Die vier Schichten 68, 70, 72 und 74 werden nacheinander aufgebracht und sind überall
auf der Scheibenhauptoberfläche vorhanden.
-
Danach wird in herkömmlicher Photolacktechnik eine erste Maske 77
über der dritten Isolierschicht 74 geschaffen, mit Fenstern 78, die schließlich
die Source und die Basiszone festlegen. Diese erste Maske 77 ist zwar eine Maske
mit relativ feiner Geometrie, es ist jedoch keine Justierung erforderlich, da es
die erste Maske ist und da die Scheibe bis zu diesem Punkt einfach gleichmäßige
Schichten aufweist. Bemerkenswert ist bei dem Verfahren nach der Erfindung, daß
die erste Maske 77 die einzige Feingeometriemaske ist. Fig. 3 zeigt dann die Scheibe
unmittelbar nach dem Aufbringen der ersten Maske 77
Gemäß Fig.
4 werden bei dem bevorzugten Verfahren die dritte Isolierschicht 74, die zweite
Isolierschicht 72, die leitende Gateelektrodenschicht 70 und die erste Isolierschicht
68 nacheinander durchgeätzt, um Öffnungen 80, 82, 84 bzw. 86 in den durch die Fenster
78 in der ersten Maske 77 festgelegten Bereichen zu bilden, wobei das Unterhöhlen
oder -schneiden der leitenden Gateschicht 70 notwendig ist. Die obere Schicht 74
wird, wenn sie aus einer einzelnen Siliciumnitridschicht besteht,mJttels Plasmaätzung
weggeätzt. Dann wird die unter ihr liegende Schicht 72, wenn diese aus einer einzelnen
Siliciumdioxidschicht besteht, chemisch weggeätzt. Danach wird die aus polykristallinem
Silicium bestehende Schicht 70 durch Plasmaätzung weggeätzt, wobei diese Ätzung
für eine ausreichend lange Zeit fortgesetzt wird, damit es zu einer nennenswerten
seitlichen Ätzung der aus polykristallinem Silicium bestehenden Schicht 70 aus Gründen
kommt, die im folgenden erläutert sind. Beispielsweise ist ein Unterhöhlen oder
-schneiden in der Größenordnung von 1,0 #m ausreichend.
-
Schließlich wird die erste Schicht 68, wenn diese aus einer einzelnen
Siliciumdioxidschicht besteht, chemisch weggeätzt.
-
Die Photolackschicht 77 wird dann entfernt, wobei die Scheibe in dem
in Fig. 4 gezeigten Zustand zurückbleibt.
-
Gemäß Fig. 5 wird nach geeignetem Reinigen die Transistorbasiszone
76 in die Drainzone 64 eingebracht, vorzugsweise mittels einer ersten Diffusion.
Verunreinigungen, die geeignet sind, eine erste Zone entgegengesetzten Leitungstyps
zu bilden, werden in die Drainzone 64 über die durch die erste Maske 77 festgelegten
Öffnungen 80, 82, 84 und 86 eindiffundiert. In diesem Beispiel werden Akzeptorverunreinigungen
eindiffundiert,um Halbleitermaterial vom P-Typ für die Basiszone 76 zu schaffen.
Die erste Diffusion zum Bilden der Basiszone 76 ist, beispielsweise, ungefähr 3
m tief. Die laterale Ausdehnung der Basiszone 76 wird zum Teil durch die Größe der
durch die erste Maske 77 festgelegten Öffnungen 80, 82,
84, 86
sowie durch die anderen Verfahrensparameter, wie beispielsweise Dauer, Temperatur
und Druck'bestimmt. Die Basisdiffusionszone 76 hat einen Umfang 79, der an der Hauptoberfläche
66 endigt.
-
Danach wird ohne irgendwelche weitere #askierschritte mit zugehöriger
Justierung die Transistorsourcezone 88 in die Basiszone 76 eingeführt, vorzugsweise
mittels eines zweiten Diffusionsschrittes. Durch dieselben Öffnungen 80, 82, 84
und 86 werden Verunreinigungen, die geeignet sind, um eine zweite diffundierte Zone
88 des einen Leitungstyps zu bilden, eingeleitet, in diesem Beispiel Donatorverunreinigungen,
um eine Sourcezone 88 aus stark dotiertem Halbleitermaterial von N -Typ zu bilden.
Diese zweite Diffusion ist größenordnungsmäßig 1,0 am tief und erfolgt gänzlich
innerhalb der während der ersten Diffusion gebildeten Basiszone 76 und hat eine
geringere laterale Ausdehnung und eine geringere Tiefe als diese. Als Ergebnis dessen
ist an der Hauptoberfläche 66 die Basiszone 76 als ein Band 90 entgegengesetzten
Leitungstyps (P-Typs) zwischen der Sourcezone 88 (N+-Typ) und der Drainzone 64 (N
-Typ) vorhanden.
-
Zusätzlich wird während des zweiten Diffusionsschrittes zum Bilden
der Sourcezone 88 eine Schicht 92 aus Siliciumdioxid über der Oberfläche der Sourcezone
88 aufwachsen gelassen, und ein Fortsatz 94 der Schicht 92 wird auf den Seitenwänden
84 der aus polykristallinem Silicium bestehenden Gatelektrode 70 aufwachsen gelassen
In dieser Phase befindet sich die Scheibe in dem in Fig. 5 dargestellten Zustand.
-
Danach wird gemäß Fig. 6 die Oxidschicht 92 (Fig. 5) auf der Oberfläche
der Sourcezone 88 entfernt, vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen oder statt dessen,
beispielsweise ~durch Ionenfräsen mit einem kollimierten Strahl 94, der ein hohes
Selektivitätsverhältnis für Siliciumdioxid über Silicium hat.
-
In einem Prozeß des Ionenätzens mit einem kollimierten Strahl wird
die Scheibe durch eine HF-Quelle angeregt, die eine Oszillationsbewegung der ätzenden
Ionen rechtwinkelig zu der Scheibenoberfläche bewirkt, so daß sich ein Richteffekt
ergibt. Während des Entfernens der Oxidschicht 92 mit dem kollimierten Strahl 94
dient dz oberste oder dritte Schicht 74 zum Schutz der oberen Oberfläche des MOSFET,der
gebildet wird, wobei der Rand des Fensters 80 eine Schattenmaske bildet. Als Ergebnis
dieses Entfernens der Oxidschicht 92 mit dem kollimierten Strahl 94 wird die Siliciumdioxidschicht
92 auf den Seitenwänden 84 des aus polykristallinem Silicium bestehende Gates 70
nicht entfernt.
-
Danach wird gemäß Fig. 7 eine zweite Photolackmaske 96 aufgebracht,
um das Gatekontaktöffnungsfenster festzulegen.
-
Unter Verwendung der Maske 96 wird die dritte Isolierschicht 74, zumindest
wenn sie aus Siliciumnitrid besteht, mittels Plasmaätzung weggeätzt,und die zweite
Isolierschicht 72 wird chemisch weggeätzt, um Öffnungen 98 und 100 für das Gatekontaktfenster
zu bilden. Die zweite Maske 96 wird dann entfernt, und die Scheibe wird gereinigt.
-
Danach wird gemäß Fig. 8 Elektrodenmetall, vorzugsweise Aluminium,
durch Aufdampfen auf die Vorrichtung aufgebracht und gemustert, wie an den Stellen
102 und 103 gezeigt, um Source- und Gateelektrodenschichten zu bilden. Dieses Mustern
erfordert die dritte Maske bei dem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung. Eine
gemeinsame Drainelektrode 105 wird zwar ebenfalls als Metallisierung auf das Substrat
62 aufgebracht, erfordert aber kein Mustern.
-
Zum Herstellen eines ohmschen Kontakts zwischen der Sourceschicht
88 und der Basisschicht 76 wird die gesamte Vorrichtung wärmebehandelt, um ein Mikrolegieren
hervorzurufen, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Es werden Mikrolegierungsspitzen 104
erzeugt, die sich durch die gesamte Sourcediffusionsschicht
88
und teilweise in die Basisdiffusion 76 erstrecken.
-
Die genauen Verfahrensparameter müssen so gewählt werden, daß die
gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Als Beispiel und ohne den Rahmen der Erfindung
dadurch zu beschränken sei jedoch angegeben, daß bei einer N -Sourceschicht 88,
die eine geringere Dicke als etwa 0,7 ßm hat, ein Erhitzen auf 450 0C für eine Stunde
in einer Stickstoffatmosphäre ausreichend ist, um den gewünschten Grad des Mikrolegierens
zu erreichen.
-
Bei dem Vorgang des Mikrolegierens löst sich das Silicium der Sourceschicht
88 und der Basisschicht 76 in den Aluminiumsourcekontakt 102, was erlaubt, daß sich
Mikrolegierungsspitzen 104 nach unten ausbilden.
-
Das Ausmaß des Mikrolegierens kann verändert werden, indem eine Anzahl
von Parametern kontrolliert wird, wie beispielsweise: 1) Das besondere Metall, das
für die Kontaktelektrode 102 benutzt wird. Reines Aluminium oder irgendeine Anzahl
von Aluminium-Silicium-Legierungen kann benutzt werden.
-
2) Die Temperatur und die Dauer der Wärmebehandlung sowie die Atmosphäre.
-
3) Die Kristallorientierung des Substrats und der Oberflächenzustand.
-
43 Die Source- und Basisdiffusionstiefen und -konzentrationen.
-
Es ist zu erkennen, daß diese Mikrolegierungstechnik, wie sie in Fig.
9 gezeigt ist, zur Bildung des erforderlichen ohmschen Kontakts zwischen der Sourcezone
88 und der Basiszone 76 führt, wodurch der Kurzschlußstab 34 (Fig. 2) beseitigt
wird, der bei dem bekannten MOSFET erforderlich ist. Es wird nicht nur das Erfordernis
dieses besonderen Maskierschrittes beseitigt, sondern es wird auch die Größe der
Einheitszelle verkleinert
Die Erfindung schafft eine zweite Technik
zum Bilden eines Source-Basis-Kurzschlusses in einem Leistungs-MOSFET, die die Anwendung
von bekannten Vorzugsätztechniken zum Bilden einer V-Nut beinhaltet.
-
Bei der zweiten Technik nach der Erfindung geht die Bearbeitung so
vor sich, wie sie oben beschrieben worden ist, beginnend mit Fig. 3 und bis Fig.
6. Das Scheibensubstrat 60 wird jedoch so gewählt, daß es die besondere Kristallausrichtung
<100> hat.
-
Gemäß Fig. 10 werden im Anschluß an Fig. 6,bis zu der das Verfahren
wie zuvor abläuft, die Sourcediffusionszone 88 und die Basisdiffusionszone 76 bevorzugt
geätzt, um eine V-Nut 106 zubilden, die sich durch die gesamte Sourcezone 88 erstreckt
und deren Grund 108 sich nur teilweise in die Basiszone 76 erstreckt. Verschiedene
Vorzugsätzmittel sind bekannt, von denen irgendeines bei der Ausführung der Erfindung
benutzt werden kann. Beispielsweise ist ein geeignetes Ätzinittel ein Gemisch aus
Kaliumhydroxid und Isopropanol in einem Verhältnis von ungefähr 3:1. Dieses besondere
Atzgemisch ätzt Silicium mit einer Geschwindigkeit von 5 m pro Stunde, wenn das
Gemisch auf ungefähr 600 C gehalten wird.
-
Andere orientierungsabhängige Ätzinittel können bei der Ausführung
der Erfindung ebenfalls benutzt werden. Beispielsweise sind in einem Aufsatz von
Don L. Kendall, "On Etching Very Narrow Grooves In Silicon", Applied Physics Letters,
Band 26, S. 195-198 (1975),geeignete Ätzmittel erläutert.
-
Gemäß der Erfindung ist kein besonderer zusätzlicher Maskierschritt
für das Ätzen erforderlich, weil der Schritt mit dem kollimierten Strahl (Fig. 6)
sämtliche anderen Bereiche durch verschiedene Isolierschichten geschützt zurückläßt,
welch letztere, wie oben beschrieben, vorzugsweise entweder aus Siliciumnitrid oder
aus Siliciumdioxid bestehen.
-
Danach wird, obgleich nicht im einzelnen mit Bezug auf die V-Nut-Ätztechnik
nach der Erfindung dargestellt, die zweite Maske aufgebracht, wie die oben mit Bezug
auf Fig. 7 beschriebene Maske 96, und die Gatekontaktfenster 98 und 100 werden hergestellt.
Diese zweite Maske 96 wird dann entfernt.
-
Schließlich wird gemäß Fig. 11 Metall, vorzugsweise durch Aufo dampfung,
auf die Vorrichtung aufgebracht und gemustert, um Source- und Elektrodenschichten
zu bilden; wie oben mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben. Wegen der V-Nut 106 ist die
Sourceelektrode 102 sowohl mit der Sourcezone 88 als auch mit der Basiszone 76 in
ohmschem Kontakt.
-
Die Erfindung ist zwar oben unter besonderer Bezugnahme auf die Selbstjustierungstechnik
beschrieben worden, jedes der beschriebenen Verfahren zum Bilden von Source-Basis-Kurzschlüssen
in einem Leistungs-MOSFET kann jedoch auch bei anderen Verfahren angewandt werden,
die mit dem oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen vergleichbar sind.
-
Es sind zwar besondere Ausführungsformen der Erfindung hier dargestellt
und beschrieben worden, Modifizierungen und Anderungen sind jedoch dem Fachmann
möglich. Wenn beispielsweise die Basiszone 76 und die Sourcezone 88 in die Drainzone
64 des Leistungs-MOSFET entweder von Fig. 9 oder von Fig. 11 mittels Ionenimplantation
statt durch Diffusion, wie oben im einzelnen beschrieben, eingebracht werden, dann
ist es nicht erforderlich, die Siliciumdioxidschicht 68 in Fig. 3 zu entfernen,
wie in Fig. 4, und dann durch die Siliciumdioxidschicht 92 zu ersetzen, wie in Fig.
5. Der Grund dafür ist, daß die geeigneten Verunreinigungen in die Drainzone 64
durch Ionenimplantation direkt über die Siliciumdioxidschicht 68 eingebracht werden
können. Darüber hinaus könnten die Source- und Drainelektrodenschichten des oben
beschriebenen
Leistungs-MOSFET durch einen Uberzugsprozeß gebildet
werden, der das Besprühen statt des oben beschriebenen Aufdampfens beinhaltet. Alle
diese Modifizierungen liegen im Rahmen der Erfindung und fallen unter die Ansprüche.
-
Leerseite