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Die Erfindung betrifft eine integrierte
Halbleiter-Schaltungsvorrichtung wie einen Speicher, eine fotoelektrische
Wandlervorrichtung, eine Signalverarbeitungseinrichtung,
usw., die in verschiedene elektronische Geräte eingebaut
werden, und insbesondere einen Transistor mit isoliertem Gate.
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In den vergangenen Jahren war es zur höheren Integration
erwunscht, praktisch fein gearbeitete Funktionseinrichtungen
wie MOS-Transistoren mit einer Gatelänge in der Größenordnung
von unter einem Mikrometer zu entwickeln.
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Fig. 1 bis Fig. 3 sind schematische Schnittansichten, die den
Aufbau von herkömmlichen MOS-Transistoren darstellen. Fig. 1
zeigt einen N-MOS-Transistor mit einem einzelnen Drain-Aufbau
mit einem Gate 201, einem oxidierten Film 202, einem Source-
Anschluß 203 und einem Drain-Anschluß 204, der der einfachste
Aufbau ist, und sein Herstellungsverfahren ist ebenfalls
einfach. Mit der Zunahme der feineren Bildung der Vorrichtung
tritt jedoch, wenn die Gatelänge 1,2 um oder weniger wird,
eine Verschlechterung des Einschaltens des MOS-Transistors
auf. Fig. 2 zeigt Bereiche 205 und 206 mit geringer
Konzentration, die zum Verringern des elektrischen Feldes zwischen
dem Source-Anschluß und dem Drain-Anschluß vorgesehen sind,
damit eine derartige Verschlechterung verhindert wird, und
als leicht dotierte Drain-Anordnung (LDD, lightly doped
drain) bezeichnet werden. Außerdem ist für einen dynamischen
Schreib-Lesespeicher (DRAM), der hinsichtlich feiner Herstel-
Iung am weitesten fortgeschritten ist, eine dünne
Transistorzelle (TTC) gemäß Fig. 3 vorgeschlagen worden. Eine dünne
Transistorzelle bzw. TTC weist eine in dem Halbleitersubstrat
211 ausgebildete Ausnehmung auf, und ein Transistor sowie ein
Kondensator werden gleichzeitig gebildet. Im einzelnen weist
sie einen gateoxidierten Film 213 mit einem Kanal 214 auf,
der sich an der Seite des gateoxidierten Films befindet. In
der Ausnehmung an dem unteren Teil des Gates 212 ist
polykristallines
Silizium 215 gefüllt und zum Bilden einer
Elektrode des Kondensators für einen Speicher aufgebracht, wobei
seine Oberfläche oxidiert ist, damit ein Isolationsfilm 216
für einen Kondensator gebildet wird. Ein beerdigter Source-
Anschluß 217 ist an dem oberen Teil des polykristallinen
Siliziums 215 ausgebildet. Sie ist außerdem mit einer
Wortleitung 218 aus polykristallinem Silizium sowie einer N+
-Diffusionsschicht als Drain-Anschluß und Bitleitung ausgestattet
und durch einen oxidierten Film 220 von den benachbarten
Zellen elektrisch getrennt. Auf einem Isolationsfilm 221 und
einem Zwischenschicht-lsolationsfilm 222 sind jeweils
Leiterbahnmuster 223 sowie 224 ausgebildet. Die dünne
Transistorzelle bzw. TTC mit dem in der vertikalen Richtung
ausgebildeten MOS-Transistor und Kondensator ist mit den Vorteilen
behaftet, daß ihre Fläche kleiner ist, ein fehlerhaftes
Einschalten wegen des Einflusses von α-Strahlung schwer auftritt
und sie außerdem frei von einem parasitären Transistor ist.
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Die vorstehend beschriebene Transistorzelle mit Ausnehmung
kann jedoch noch in folgender Hinsicht verbessert werden:
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1) Bei der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 3, nur bezüglich
des Transistorabschnitts, beträgt das Seitenverhältnis
(Ausnehmungstiefe/Öffnungsdurchmesser) ungefähr zwei, weshalb die
Ausbeute durch Fehler gesenkt wird, die beim Ätzen des
Siliziums auftreten, und außerdem ist es schwierig, einen
Isolationsfilm mit einer gleichmäßigen und guten Qualität in der
Ausnehmung auszubilden, was Probleme hinsichtlich der
Zuverlässigkeit verursacht.
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2) Außerdem kann polykristallines Silizium, das das allgemein
bei einer dünnen Transistorzelle verwendete
Gateelektrodenteil-Material ist, selbst dann nicht mit einem spezifischen
Widerstand von 1 mΩcm oder weniger hergestellt werden, wenn
Störstellen mit maximalem Ausmaß diffundiert werden, wodurch
es unmöglich ist, die Ausbreitungs-Verzögerungszeit zu
verringern, die die Geschwindigkeit des Transistors bestimmt.
Selbst wenn Silizid (eine Silizium-Metallegierung) anstelle
des polykristallinen Siliziums verwendet wird, beträgt der
spezifische Widerstand ungefähr 100 bis 200 uΩcm, und ein
Transistor mit hoher Geschwindigkeit, hoher Ausbeute und
hoher Zuverlässigkeit kann nicht erhalten werden.
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3) Außerdem wird im allgemeinen die Gateelektrode auf der
Oberfläche der Halbleitervorrichtung gleichmäßig aufgebracht,
weshalb die Oberfläche der Gateelektrode selbst die
Unebenheit der Ausnehmung im Gegensatz zu einer Abflachung
wiedergibt. Kurz gesagt muß zum Erhalten einer hohen
Zuverlässigkeit der auf der Gateelektrode aufgebrachten Leiterbahn ein
Isolationsfilm auf die Gateelektrode aufgebracht werden und
eine Abflachung unter Verwendung von Hochfreguenzplasma-
Rückätzen durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist ein
Verfahren, das das Resist nur an der Austiefung dick zurückläßt
und gleichzeitig den Isolationsfilm an der Resist-Austiefung
im Hochfrequenzplasma ätzt, und da der Einfluß der bei dem
MOS-Transistor angewandten Hochfrequenzen extrem groß ist,
war das Risiko der Beeinflussung von Ausbeute und
Zuverlässigkeit sehr groß.
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IBM Disclosure Bulletin, Band 29, Nr. 10, Seite 4305-4307
beschreibt einen MOSFET mit dreidimensionalem Graben-Aufbau und
tief implantierten Source- und Drainbereichen an jeder Seite
einer isolierten und beerdigten Gateelektrode.
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Die US-Patentschrift 4 910 564 beschreibt einen anderen
Aufbau mit tiefen Source- und Drainbereichen vom n-Typ und vom
p-Typ mit n- und p-Kanälen an jeder Seite einer isolierten
und beerdigten Gateelektrode.
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Die internationale Patentanmeldunq WO 84/03341 beschreibt
einen Multigate-Grabentransistor mit einer
Dünnfilm-Gateelektrode, die entlang den Seitenwänden und einem Boden von
benachbarten Ausnehmungen verläuft.
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Es sei insbesondere auf "Patent Abstracts of Japan", Band 9,
Nr. 102 und JP-A-59 228 762 hingewiesen, die einen Transistor
mit isoliertem Gate offenbaren mit:
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einem Halbleiteraufbau mit einer Ausnehmung darin,
einer Gateelektrode, die die Ausnehmung ausfüllt,
einem Isolationsfilm zwischen der Gateelektrode und der
Seitenwand-Umgebung der Ausnehmung,
ersten und zweiten Halbleiterbereichen an der Oberfläche des
Halbleiteraufbaus, die sich an jeder Seite der Gateelektrode
befinden und jeweils einen Source-Anschluß sowie einen Drain-
Anschluß definieren,
einer ersten Kanaleinrichtung zwischen dem Source-Anschluß
und dem Drain-Anschluß, die einen ersten Strompfad bildet,
der zumindest teilweise in der Richtung im wesentlichen
senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiteraufbaus ist, und
einer zweiten Kanaleinrichtung zwischen dem Source-Anschluß
und dem Drain-Anschluß, die einen zweiten Strompfad in einer
Richtung bildet, die im wesentlichen parallel zu der
Oberfläche des Halbleiteraufbaus ist.
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Die vorliegende Erfindung dient zum Überwinden der vorstehend
beschriebenen Probleme.
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Der erfindungsgemäße Transistor mit den Merkmalen der
vorstehend beschriebenen JP-A-59 228 762 ist durch einen stark
störstellendotierten Bereich gekennzeichnet, der sich
unmittelbar unter der Gateelektrode befindet, zum Liegen in dem
ersten Strompf ad angeordnet ist und dadurch einen Teil der
ersten Kanaleinrichtung bildet.
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Vorzugsweise weist die Gateelektrode einen zusammengesetzten
Aufbau auf, der eine Metallfüllung und einen polykristallinen
Siliziumfilm aufweist, der sich zwischen der Metallfüllung
und dem Isolationsfilm befindet. Die Metallfüllung kann aus
einkristallinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
einer der Legierungen Al-Si, Al-Ti, AI-Cu, Al-Si-Ti, Al-Si-Cu
bestehen.
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Da die Gateelektrode an der Oberfläche eines unteren Teils
des Haiblieitersubstrats beerdigt ist, kann ein MOS-Transistor
mit einer kleinen Fläche und einer glatten Oberfläche
verwirklicht werden und ein MOS-Transistor mit einer hohen
Zuverlässigkeit erhalten werden.
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In der beigefügten Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 bis 3 jeweils eine Schnittansicht eines herkömmlichen
MOS-Transistors,
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Fig. 4A und 4B eine Draufsicht und eine Schnittansicht gemäß
einem Beispiel,
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Fig. 5A bis 5G schematische Schnittansichten zum
Veranschaulichen der Herstellung gemäß dem Beispiel gemäß Fig. 4,
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Fig. 6 eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer
Filmherstellungsvorrichtung darstellt, die für die
Herstellung verwendet werden kann, und
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Fig. 7A bis 7D schematische Darstellungen zum
Veranschaulichen der bei der Herstellung der Gateelektrode und der
Verdrahtung verwendeten Filmherstellung.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel beschrieben. Die nachstehende Beschreibung wird nur
beispielhaft gemacht.
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Fig. 4A und 4B veranschaulichen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel.
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Eine Gateelektrode 7 dieses MOS-Transistors ist beerdigt und
verläuft deshalb von der Oberfläche in den Aufbau eines
Halbleitersubstrats 1. Ein Teil des Kanals zum Durchführen des
Transistor-Einschaltens des MOS-Transistors befindet sich
unter der Oberfläche.
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Außerdem wird die Gateelektrode teilweise oder vollständig
durch selektives Aufbringen unter Verwendung einer chemischen
Gasphasenreaktion gebildet und kann auf diese Weise eben mit
der Oberfläche der Halbleitervorrichtung ausgebildet werden.
Zum Bilden der Gateelektrode in einer Ausnehmung und auch zum
Erreichen einer Ebenheit der Oberfläche der
Halbleitervorrichtung dient das selektive
Metallsystem-Filmaufbringungsverfahren von Al usw., das nachstehend beschrieben wird.
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Fig. 4A und 4B zeigen einen NMOS-Transistor als Beispiel.
Fig. 4A ist eine Draufsicht auf den NMOS-Transistor, der
durch einen P-Graben 1 und einen Feldoxidationsfilm 2 umgeben
ist. Fig. 4B ist eine Schnittansicht.
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Ein Source-Anschluß 4 und ein Drain-Anschluß 5 des
vorliegenden NMOS-Transistors sind an jeder Seite einer Ausnehmung
angeordnet, und benachbart zu dem Source-Anschluß 4 und dem
Drain-Anschluß 5 ist jeweils ein Gateoxidationsfilm 11 bzw.
12 angeordnet, der in der vertikalen Richtung von der
Oberfläche zu einem unteren Teil des Substrats verläuft, und
benachbart von dem Gateoxidationsfilm 11 bzw. 12 ist von der
Substratoberfläche die Gateelektrode 7 beerdigt, die tief
unter dem Source-Anschluß 4 und dem Drain-Anschluß 5 verläuft.
Zwischen dem Source-Anschluß 4 und dem Drain-Anschluß 5 ist
ein Kanal für den Stromfluß vorgesehen. Dieser weist einen
stark störstellendotierten Bereich (n+) 13 auf, der
unmittelbar unter der Gateelektrode 7 vorgesehen ist.
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Die Oberfläche des vorliegenden Transistors ist weitgehend
eben, weil der Steuerelektrodenbereich beerdigt ist.
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Der Transistor ist an der Oberfläche mit einem
Zwischenschicht-Isolationsfilm 2' und einem (nicht dargestellten)
Metallanschluß aus Al bedeckt. Kontaktlöcher sind in dem
Zwischenschicht-Isolationsfilm 2' zum Herstellen eines Kontaktes
mit dem Source-Anschluß 4, dem Drain-Anschluß 5 und der
Gateelektrode 7 vorgesehen. Auch bei dem Schritt des Herstellens
des Metallanschlusses kann ein Verfahren eingesetzt werden,
bei dem Al usw. selektiv innerhalb jedes Kontaktlochs
aufgebracht wird, nämlich nur auf dem Halbleitersubstrat, und dann
ein Anschlußmaterial auf der gesamten Oberfläche des
Isolationsfilms aufgebracht und ein Anschließen durch Versehen mit
Mustern durchgeführt wird.
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Nachstehend wird das Einschalten beschrieben.
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Der MOS-Transistor ist eine Vorrichtung, die die
Leitfähigkeit des Kanals zwischen der Source-Elektrode 4 und der
Drain-Elektrode 5 durch die Gateelektrode 7 steuert. Wenn
eine Spannung VG zwischen den Source-Anschluß bzw. die
Source-Elektrode 4 und den Drain-Anschluß bzw. die Drain-
Elektrode 5 angelegt wird, fließt, falls eine Spannung VG an
die Gateelektrode 7 angelegt wird, ein Strom auf Grundlage
der folgenden Formeln, nämlich
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wenn VD < VG - VT
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ID = W/L u Cox [(VG - VT)VD -1/2 VD²]
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wenn VD > VG - VT
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ID = 1/2 Cox u W/L (VG - VT)²
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(Cox: Gate-Kapazität, u: Ladungsträger-Beweglichkeit, W:
Kanalbreite, L: Kanallänge, VT: Schwellwertspannung).
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Der Strom von dem Source-Anschluß 4 zu dem Drain-Anschluß 5
fließt in der Richtung des Pfeiles 14, so daß er in den stark
störstellendotierten Bereich (n+) 13 fließt, der unmittelbar
unter der Gateelektrode 7 vorgesehen ist. Außerdem fließt der
Strom in die Richtung eines Pfeiles 15, in dem er durch den
Kanal 12 in die Drain-Elektrode 5 fließt. In dem Strom
besteht eine Stromkomponente, die in die vertikale Richtung zu
der Oberfläche fließt, und gleichzeitig eine Komponente, die
in die durch einen Pfeil 16 gemäß Fig. 4A dargestellte
Richtung und parallel zu der Oberfläche fließt.
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Derzeit wird bei MOS-Transistoren verlangt, erstens den
Transistor mit einer kleinen Fläche herzustellen und zweitens das
Einschalten des Transistors mit einer hohen Geschwindigkeit
durchzuführen.
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Das vorliegende Beispiel hat bezüglich der beiden vorstehend
erwähnten Punkte wesentliche Verbesserungen gemacht, und die
Fläche des Transistors kann auf 80% von der gemäß dem Stand
der Technik verringert werden. Bezüglich der Geschwindigkeit
ist der Widerstand der Gateelektrode ein wichtiger Faktor. In
dem Fall von polykristallinen Silizium-Gateelektroden, die
herkömmlich verwendet werden sind, beträgt der Widerstand 300
bis 80 Ω/cm², und 2 bis 5 Ω/cm² ist durch Silizidherstellung
erreicht worden, während in dem Fall gemäß diesem Beispiel
ein geringer Widerstand von 1 x 10&supmin;&sup5; Ω/cm² verwirklicht
werden kann, falls einkristallines Aluminium als Metallfüllung
verwendet wird.
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Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Gateelektrode 7 aus
einem polykristallinen Siliziumfilm 109 und einer Metallfüllung
111 zusammengesetzt. Der polykristalline Siliziumfilm 109
befindet sich zwischen der Metallfüllung 111 und den
Seitenwänden der Ausnehmung, so daß der Kanal die Metallfüllung 111
der Gateelektrode 7 durch den Isolationsfilm 11 bzw. 12 nicht
berührt (108). Auch durch Verwendung des polykristallinen
Siliziums, das bei dem herkömmlichen Verfahren verwendet wird,
und daher ohne Benötigen des Arbeitszweckes der
Gateelektroden-Füllung 111 kann ein MOS-Transistor mit den selben
Eigenschaften wie bei dem Stand der Technik erhalten werden.
Außerdem kann, weil der direkte Widerstand der Gateelektrode
verringert wird, ein feiner MOS-Transistor mit einer hohen
Geschwindigkeit erhalten werden.
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Nachstehend wird das Verfahren zum Herstellen des Transistors
gemäß Fig. 4 beschrieben. Fig. 5A bis 5G zeigen
Schnittansichten.
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Zunächst wird ein P-Graben 102 in einem
N-Typ-Siliziumsubstrat 101 ausgebildet, ein oxidierter Film 103 mit einer
Dicke von 1200 nm (12000 Å) auf der Substratoberflache
ausgebildet und dann zum Erzeugen einer gemusterten Maske
teilweise entfernt.
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Danach wird unter Verwendung des oxidierten Films 103 als
Maske das Substrat durch Reaktions-Ionenätzen (RIE; reaction
ion etching) unter Verwendung von Gasen von Cl&sub2;, CBrF&sub3; zum
Erzeugen einer Ausnehmung 104 geätzt. Die Ätztiefe des
Substrats beträgt 3 um (Fig. 58).
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Anschließend wird der vorstehend erwähnte oxidierte Film 103
entfernt, dann ein thermisch oxidierter Film 105 hergestellt
und ein SiN-Film 106 mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf
der gesamten Substratoberfläche gebildet, was von einer
teilweisen Entfernung des SiN-Films gefolgt ist (Fig. 5C).
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Unter Verwendung des bekannten LOCOS-Verfahrens wird ein
Feldoxiationsfilm 107 nur an den Abschnitten ausgebildet, an
denen der SiN-Film 106 entfernt worden ist. Die
Herstellungsbedingungen sind: O&sub2;: 2 Liter/min., H&sub2;: 4 Liter/min.,
Oxidationstemperatur: 1000ºC, Filmdicke: 800 nm (8000 Å). Dann
wird der SiN-Film 106 entfernt (Fig. 5D).
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Anschließend wird, nachdem der oxidierte Film 105 auf dem
Substrat in einer HF-Atmosphäre vollständig entfernt wird,
ein Gateisolationsfilm 108 ausgebildet. Die
Herstellungstemperatur beträgt 850ºC und die Filmdicke 18 nm (180 Å). Als
Teil der Gateelektrode des MOS-Transistors wird ein
polykristalliner Siliziumfilm 109 auf der gesamten Oberfläche des
Gateisolationsfilms 108 durch Pyrolyse bzw. thermische
Zersetzung von SIH&sub4; ausgebildet und durch Reaktions-Ionenatzen
(RIE) in einer CCl&sub2;F&sub2;-Atmosphäre teilweise entfernt. Außerdem
wird zur Herstellung der Source- und Drain-Diffusionsschicht
110 des MOS-Transistors Arsen mit 5 x 10¹&sup5; Ionen/cm²
ioneninjiziert. Arsen wird auch in den polykristallinen
Siliziumfilm 109 injiziert, damit es bei der Verringerung des
spezifischen Widerstands des polykristallinen Siliziums eine Rolle
spielt. Anschließend wird zum elektrischen Aktivieren der
Source- und Drain-Diffusionsschicht 110 eine Wärmebehandlung
bei 1000ºC für 15 Sekunden entsprechend dem schnellen
Wärmeausheilverfahren (RTA; rapid thermal annealing)
durchgeführt (Fig. 5E).
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Danach wird Aluminium 111 auf den polykristallinen
Siliziumfilm 109 aufgebracht, damit die Ausnehmung ausgefüllt wird.
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Nachstehend wird das Aufbringungsverfahren beschrieben.
Zunächst wird das Substrat in eine Reaktionskammer einer
chemischen Gasabscheide- bzw. CVD-Vorrichtung gelegt und die
Reaktionskammer innen auf 1,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (1 x 10&supmin;&sup8; Torr)
evakuiert. Über eine Zufuhr-Gasleitung wird DMAH zugeführt. Als
Trägergas wird He eingesetzt. Außerdem läßt man über eine
andere Gasleitung H&sub2; als Reaktionsgas auf das Substrat fließen,
das auf 270ºC erwärmt wird. Ein typischer Druck in diesem
Fall ist ungefähr 2,0 x 10² Pa (1,5 Torr), und der Teil- bzw.
Partialdruck von DMAH beträgt ungefähr 6,7 x 10&supmin;¹ Pa (5 x 10&supmin;&supmin;
³ Torr). Gemäß diesem Verfahren wird Aluminium selektiv nur
auf den elektrisch leitenden polykristallinen Siliziumfilm
109 und nicht auf den oxidierten Film 108 und dem
Feldoxidationsfilm 107 aufgebracht. Daher bildet die Aluminium-Füllung
111 den Rest der Gateelektrode des MOS-Transistors (Fig. 5F).
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Anschließend wird Borophosphatsilikatglas (BPSG) als
Zwischenschicht-Isolationsfilm 112 aufgebracht, Kontaktlöcher
werden geöffnet und Aluminium 114 wird innerhalb der
Kontaktlöcher wie vorstehend beschrieben durch das Al-CVD-Verfahren
beerdigt, damit Elektrodenkontakte 113, 114 zu der
Gateelektrode 111, dem Sourceanschluß 110 und dem Drain-Anschluß
hergestellt werden (Fig. 5G).
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Das bevorzugte Filmherstellungsverfahren ist eines, das den
aufgebrachten Film durch eine Oberflächenreaktion auf einem
Elektronendonator-Substrat bildet und bei dem ein Gas von
einem Alkylaluminiumhydrid- und Wasserstoffgas (nachstehend als
Al-CVD-Verfahren bezeichnet) als gasförmiges Reagens
verwendet wird.
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Insbesondere kann durch Verwendung von
Monomethylaluminiumhydrid (MMAH) als Ausgangs- bzw. Initialgas oder
Dimethylaluminiumhydrid (DMAH) als Ausgangs- bzw. Initialgas und H&sub2; als
Reaktionsgas sowie Erwärmen der Substratoberfläche in einem
Gemisch dieser Gase ein Aluminiumfilm mit einer guten
Qualität aufgebracht werden. In diesem Fall sollte während der
selektiven Aufbringung von Aluminium die Oberflächentemperatur
auf der Zersetzungstemperatur des Alkylaluminiumhydrids oder
mehr und weniger als 450ºC gehalten werden, möglichst
zwischen 260ºC bis 440ºC.
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Als Verfahren zum Erwärmen des Substrats auf den vorstehend
erwähnten Temperaturbereich gibt es direktes Erwärmen und
indirektes Erwärmen. Insbesondere durch Halten des Substrats
auf der vorstehend erwähnten Temperatur durch direktes
Erwärmen kann ein Aluminiumfilm mit guter Qualität mit hoher
Aufbringungs- bzw. Abscheidegeschwindigkeit gebildet werden.
Wenn beispielsweise die Temperatur der Substratoberfläche 43
während der Herstellung des Aluminiumfilms zwischen 260ºC bis
440ºC beträgt, was der bevorzugte Temperaturbereich ist, kann
ein Film mit einer guten Qualität mit einer höheren
Aufbringungs- bzw. Abscheidegeschwindigkeit von 30 bis 500 nm/min.
(300 bis 5000 Å/min.) erhalten werden, was mehr als in dem
Fall der Widerstandserwärmung ist. Als derartiges direktes
Erwärmungsverfahren (das Substrat selbst wird durch direkte
Übertragung der Energie von der Heizeinrichtung zu dem
Substrat erwärmt) kann beispielsweise Lampenerwärmung durch
Halogenlampen, Xenonlampen usw. enthalten sein. Als Verfahren
zum indirekten Erwärmen gibt es Widerstandserwärmung, wodurch
eine Erwärmung durch Verwendung eines Heizteils usw.
durchgeführt werden kann, das an dem Substratträgerteil zum Tragen
des Substrats vorgesehen ist, damit ein aufgebrachter Film
gebildet wird, der in dem Raum zur Bildung des aufgebrachten
Films angeordnet ist.
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Durch Anwenden des CVD-Verfahtens bei einem Substrat mit
einem Elektronendonator-Oberflächenabschnitt und einem Nicht-
Elektronendonator-Oberflächenabschnitt, die beide darauf
vorhanden sind, kann ein einzelner Kristall aus Aluminium nur
auf dem Elektronendonator-Substratoberflächenabschnitt mit
einer guten Selektivität gebildet werden. Das derart
gebildete Aluminium weist viele hervorragende Eigenschaften auf,
die für ein Elektroden-/Anschlußmaterial erwünscht sind. Eine
Verringerung der Erzeugungswahrscheinlichkeit von Aufwürfen
und eine Verringerung der Erzeugungswahrscheinlichkeit von
Legierungsspitzen wird erreicht.
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Dies kann in der Tatsache begründet gesehen werden, daß im
wesentlichen keine Bildung von Legierungsspitzen wegen der
eutektischen Reaktion mit darunterliegendem tiefgesetzten
Silizium gesehen wird, weil Aluminium mit einer guten Qualität
auf der Oberfläche mit einem Halbleiter oder einem elektrisch
leitenden Teil als Elektronendonator-Oberfläche gebildet
werden kann und auch weil das Aluminium hinsichtlich der
Kristallinität hervorragend ist. Außerdem kann, wenn es für die
Elektrode einer Halbleitervorrichtung verwendet wird, eine
Wirkung erhalten werden, die die Konzeption der
Aluminiumelektrode übertrifft, die bei dem Stand der Technik in
Betracht gezogen worden ist, und selbst bei dem Stand der
Technik nicht erwartet werden konnte.
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Das auf der Elektronendonator-Oberfläche aufgebrachte
Aluminium innerhalb der von der Halbleitersubstratoberfläche
verlaufenden Ausnehmung weist beispielsweise einen
einkristallinen Aufbau auf, wenn es durch das Al-CVD-Verfahren
hergestellt wird. Ein wie nachstehend beschrieben hauptsächlich
aus Aluminium aufgebauter Metallfilm kann auch selektiv
aufgebracht werden, und seine Filmqualität weist ebenfalls
hervorragende Eigenschaften auf.
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Beispielsweise kann zusätzlich zu einem Gas von
Alkylaluminiumhydrid und Wasserstoff
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ein Gas, das Siliziumatome enthält, wie SiH&sub4;, Si&sub2;H&sub6;, Si&sub3;H&sub8;,
Si(CH&sub3;)&sub4;, SiCl&sub4;, SiH&sub2;Cl&sub2;, SiHCL&sub3; oder dergleichen,
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ein Gas, das Titanatome enthält, wie TiCl&sub4;, TiBr&sub4;, Ti(CH&sub3;)&sub4;
usw.,
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ein Gas, das Kupferatome enthält, wie Kupferbiacetylacetonat
Cu(C&sub5;H&sub7;O&sub2;), Kupferbidipivaloylmethanit Cu(C&sub1;&sub1;H&sub1;&sub9;O&sub2;)2,
Kupferbihexafluoroacetylacetonat Cu(C&sub5;HF&sub6;O&sub2;)2 usw.
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zum Bilden einer Gasgemischatmosphäre eingeführt werden,
damit Elektroden durch selektives Aufbringen von elektrisch
leitendem Material wie Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti, Al-Si-
Cu, usw. gebildet werden.
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Das vorstehend beschriebene Al-CVD-Verfahren ist ein
hinsichtlich der Selektivität hervorragendes
Filmherstellungsverfahren, und der hergestellte Film weist auch gute
Oberflächeneigenschaften auf. Daher kann durch Anwenden eines
nichtselektiven Filmherstellungsverfahrens bei dem nächsten
Aufbringungs- bzw. Abscheideschritt Aluminium oder ein
hauptsächlich aus Aluminium aufgebauter Metallfilm auch auf dem
wie vorstehend beschrieben selektiv aufgebrachten
Aluminiumfilm und dem SiO&sub2; usw. als Isolationsfilm gebildet werden,
wodurch ein Metallfilm mit einer hohen Verwendbarkeit für
allgemeine Zwecke als Anschluß der Halbleitervorrichtung
erhalten werden kann.
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Besondere Beispiele eines derartigen Metallfilms enthalten
folgendes. Es können Kombinationen von Al, Al-Si, Al-Ti, Al-
Cu, Al-Si-Ti, Al-Si-Cu usw. enthalten sein, auf die selektiv
Al, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu, Al-Si-Ti, Al-Si-Cu usw. aufgebracht
wird.
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Als Filmherstellungsverfahren für das nichtselektive
Aufbringen bzw. Abscheiden gibt es andere CVD-Verfahren als das
vorstehend beschriebene Al-CVD-Verfahren wie das
Kathodenzerstäubungs- bzw. Sputterverf ahren usw.
(Filmherstellungsvorrichtung)
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Nachstehend wird die bevorzugte Filmherstellungsvorrichtung
zum Herstellen von Elektroden beschrieben.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine seguentielle
Metallfilm-Erzeugungsvorrichtung zum Anwenden des vorstehend beschriebenen
Filmherstellungsverfahrens.
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Die sequentielle Metallfilm-Erzeugungsvorrichtung wird gemäß
Fig. 6 durch eine Ladeverriegelungskammer 311 gebildet, die
unter Abschirmung von äußerer Luft durch Absperrschieber bzw.
-ventile 310a bis 310f gegenseitig mit einer
CVD-Reaktionskammer 312 als erste Filmherstellungskammer, einer
Hochfrequenz-Ätzkammer 313, einer Kathodenzerstäubungs- bzw.
Sputterkammer 314 als zweite Filmherstellungskammer und einer
Ladeverriegelungskammer 315 verbunden ist bzw. mit ihnen in
Verbindung steht. Die entsprechenden Kammern werden durch
Evakuierungssysteme 316a bis 316e evakuiert. In diesem Fall
ist die vorstehend erwähnte Ladeverriegelungskammer 311 eine
Kammer zum Ersetzen der Substratatmosphäre vor der
Aufbringungs- bzw. Abscheidebehandlung mit einer H&sub2;-Atmosphäre nach
der Evakuierung, damit die Durchsatzeigenschaften verbessert
werden. Die nächste CVD-Reaktionskammer 312 ist eine Kammer
zum selektiven Aufbringen bzw. Abscheiden auf dem Substrat
gemäß dem vorstehend beschriebenen Al-CVD-Verfahren unter
normalem Druck oder verringertem Druck, bei dem Halogenlampen
330 als direkte Heizeinrichtung vorgesehen sind. Ein
Substrathalter 318 ist mit Stiften 331 zum Tragen des Substrats
versehen. Ausgangs- bzw. Initialgase wie Alkylaluminiumhydrid
usw., die in einer Blasenbildungseinrichtung 319-1 Blasen
bilden und gasförmig werden, werden in die Kammer über eine
Initialgas-Einfülleitung 319 eingeführt, und ebenfalls wird
Wasserstoffgas als Reaktionsgas über eine Gasleitung 319'
eingeführt. Die folgende Hochfrequenz-Ätzkammer 313 ist eine
Kammer zum Ausführen einer Reinigung der Substratoberfläche
nach dem selektiven Abscheiden oder Ätzen in einer
Ar-Atmosphäre, und innen davon sind zumindest ein Substrathalter
320, der das Substrat auf einen Bereich von 100 C bis 250ºC
erwärmen kann, und eine Elektrodenleitung zum
Hochfrequenzätzen 321 sowie auch eine Ar-Gas-Zufuhrleitung 322
angeschlossen. Die folgende Kathodenzerstäubungs- bzw.
Sputterkammer 314 ist eine Kammer zum nichtselektiven Aufbringen
eines Metallfilms durch Kathodenzerstäuben bzw. Sputtern in Ar-
Atmosphäre auf die Substratoberfläche, und innen davon sind
ein Substrathalter 323, der in einem Bereich von 200ºC bis
250ºC erwärmt wird, sowie eine Zielelektrode 324 zum
Befestigen eines Kathodenzerstäubungs- bzw. Sputter-Zielmaterials
324a vorgesehen, und auch eine Ar-Gas-Zufuhrleitung 325 ist
angeschlossen. Die letzte Ladeverriegelungskammer 315 ist
eine Kontrollkammer vor dem Herausnehmen des Substrats nach
Abschluß des Aufbringens des Metallfilms in die äußere Luft
und ist derart ausgebildet, daß die Atmosphäre mit N&sub2; ersetzt
werden kann.
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Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum
Veranschaulichen eines Filmherstellungsverfahrens zum Herstellen
von Elektroden und Anschlüssen.
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Zunächst wird eine ungefähre Beschreibung gegeben. Ein
Halbleitersubstrat mit in einem Isolationsfilm ausgebildeten
Öffnungen wird hergestellt, wobei das Substrat in einer
Filmherstellungskammer angeordnet ist und seine Oberfläche auf
beispielsweise 260ºC bis 450ºC gehalten wird, damit selektiv
Aluminium an den Abschnitten aufgebracht wird, an denen der
Halbleiter entsprechend dem Warm-CVD-Verfahren in einer
gemischten Atmosphäre von DMAH als Alkylaluminiumhydrid und
Wasserstoffgas ausgesetzt wird. Natürlich kann wie vorstehend
beschrieben anstatt dessen ein hauptsächlich aus Aluminium
aufgebauter Metallfilm wie Al-Si usw. selektiv aufgebracht
werden, indem ein Gas eingeführt wird, das Siliziumatome usw.
enthält. Danach wird auf dem selektiv aufgebrachten Aluminium
und auf dem Isolationsfilm Aluminium oder ein hauptsächlich
aus Aluminium auf gebauter Legierungsfilm durch
Kathodenzerstäubung bzw. Sputtern nicht selektiv hergestellt. Dann
können durch Versehen des nichtselektiv aufgebrachten
Metallfilms mit Mustern zu einer gewünschten Anschlußform
Elektroden und Anschlüsse erzeugt werden.
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Unter Bezug auf Fig. 6 und Fig. 7 folgt nachstehend eine
ausführlichere Beschreibung. Zunächst wird ein Substrat
hergestellt. Als Substrat wird beispielsweise eine einkristalline
Siliziumscheibe bzw. -wafer mit einem Isolationsfilm
hergestellt, der mit Öffnungen verschiedener Größe versehen ist.
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Fig. 7A zeigt eine schematische Ansicht, die einen Teil des
Substrat darstellt. In diesem Fall bezeichnet 401 ein
einkristallines Siliziumsubstrat und 402 einen thermisch oxidierten
Siliziumfilm. 403 und 404 sind Öffnungen, deren Größe sich
voneinander unterscheidet. 410 bezeichnet die Unterseite
einer Ausnehmung, an der Silizium belichtet wird.
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Nachstehend wird das Verfahren zum Herstellen der ersten
Anschlußschicht auf dem Substrat unter Bezug auf Fig. 6 und 7
beschrieben.
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Zunächst wird das vorstehend beschriebene Substrat in der
Ladeverriegelungskammer 311 angeordnet. Wasserstoff wird in die
Ladeverriegelungskammer 311 eingeführt, damit es in eine
Wasserstoffatmosphäre versetzt wird. Die Reaktionskammer 312
wird intern auf ungefähr 1,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (1 x 10&supmin;&sup8; Torr) durch
das Evakuierungssystem 316b evakuiert. Ein Aluminiumfilm kann
jedoch selbst dann erzeugt werden, wenn das Vakuum innerhalb
der Reaktionskammer 312 geringer als 1,3 x 10&supmin;&sup6; Pa (1 x 10&supmin;&sup8;
Torr) ist.
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Das Gas DMAH wird von der Gasleitung 319 mit Blasen versetzt.
Als Trägergas für die DMAH-Leitung wird H&sub2; verwendet.
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Die zweite Gasleitung 319' dient für H&sub2; als Reaktionsgas und
zum Leiten von H&sub2; durch die zweite Gasleitung 319' und
Steuern der Öffnung eines (nicht dargestellten) langsamen
Durchlaßventils zum Einstellen des Drucks innerhalb der
Reaktionskammer 312 auf einen vorbestimmten Wert. Ein typischer
Druck in diesem Fall beträgt vorzugsweise ungefähr 2 x 10&supmin;²
Pa (1,5 Torr). Über die DMAH-Leitung wird DMAH in die
Reaktionsröhre eingeführt. Der Gesamtdruck wird zu ungefähr 2 x 10&supmin;&supmin;
² Pa (1,5 Torr) und der DMAH-Druck zu 6,7 x 10&supmin;¹ Pa (5,0 x
10&supmin;³ Torr) gemacht. Dann werden die Halogenlampen 330 mit
Strom versorgt, damit die Scheibe bzw. das Wafer direkt
erwärmt wird. Auf diese Weise wird selektiv Aluminium
aufgebracht.
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Nach Ablauf einer vorbestimmten Abscheidezeit wird die Zufuhr
von DMAH beendet. Die vorbestimmte Abscheidezeit des bei
diesem Verfahren aufgebrachten Aluminiumfilms ist die Zeit, die
erforderlich ist, damit die Dicke des Aluminiumfilms auf dem
Silizium (einkristallinen Siliziumsubstrat 401) gleich der
Filmdicke des SiO&sub2; (thermisch oxidierten Siliziumfilms 402)
wird, und kann vorher durch Experimente bzw. Untersuchungen
bestimmt werden.
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Die Temperatur der Substratoberfläche wird durch direkte
Erwärmung zu diesem Zeitpunkt zu ungefähr 270ºC gemacht. Gemäß
den Schritten bis zu dieser Phase ist der Aluminiumfilm 405
selektiv innerhalb der Öffnungen und der Ausnehmungen gemäß
Fig. 7B aufgebracht.
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Sämtliche der vorstehend beschriebenen Schritte werden als
der erste Filmherstellungsschritt zum Herstellen von
Elektroden innerhalb von Kontaktlöchern bezeichnet.
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Nach dem vorstehend beschriebenen ersten
Filmherstellungsschritt wird die CVD-Reaktionskammer 312 durch das
Evakuierungssystem 316b evakuiert, bis sie eine Vakuum-Größenordnung
von 6,7 x 10&supmin;¹ Pa (5 x 10&supmin;³ Torr) oder weniger erreicht. Zur
selben Zeit wird die Hochfreguenz-Ätzkammer 313 auf 6,7 x 10&supmin;&supmin;
&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr) oder weniger evakuiert. Nach der
Bestätigung, daß beide Kammern die vorstehend erwähnte Vakuum-
Größenordnung erreicht haben, wird der bzw. das
Absperrschieber bzw. -ventil 310c geöffnet, das Substrat durch die
Fördervorrichtung von der CVD-Reaktionskammer 312 zu der
Hochfrequenz-Ätzkammer 313 bewegt und der bzw. das
Absperrschieber bzw. -ventil 310c geschlossen. Das Substrat wird zu
der Hochfrequenz-Ätzkammer 313 transportiert und die
Hochfrequenz-Atzkammer 313 durch das Evakuierungssystem 316c
evakuiert, bis es eine Vakuum-Größenordnung von 10&supmin;&sup4; Pa (10&supmin;&sup6;
Torr) oder weniger erreicht. Dann wird Argon über die Argon-
Zufuhrleitung 322 zum Hochfrequenzätzen zugeführt und die
Hochfreguenz-Ätzkammer 313 in einer Argonatmosphäre von 10
bis 10&supmin;¹ Pa (10&supmin;¹ bis 10&supmin;³ Torr) gehalten. Der Substrathalter
320 zum Hochfrequenzätzen wird auf ungefähr 200ºC gehalten,
Hochfreguenzleistung von 100 W der Elektrode zum
Hochfrequenzätzen 321 für ungefähr 60 Sekunden zugeführt, und es
wird verursacht, daß eine Entladung von Argon innerhalb der
Hochfreguenz-Ätzkammer 313 für ungefähr 60 Sekunden auftritt.
Dadurch kann die Oberfläche des Substrats mit Argonionen
geätzt werden, damit eine unnötige Oberflächenschicht des
abgeschiedenen CVD-Films entfernt wird. Die Ätztiefe in diesem
Fall wird zu ungefähr 10 nm (100 Å) hinsichtlich des Oxids
gemacht. In diesem Fall wird Oberflächenätzen des
abgeschiedenen CVD-Films in der Hochfreguenz-Ätzkammer ausgeführt,
aber da die Oberflächenschicht des CVD-Films des durch das
Vakuum transportierten Substrats keinen Sauerstoff usw.
enthält, kann kein Hochfrequenzätzen ausgeführt werden. In
diesem Fall dient die Hochfrequenz-Ätzkammer 313 als
Temperaturveränderungskammer zum Bewirken einer Temperaturveränderung
innerhalb einer kurzen Zeit, wenn die Temperaturen in der
CVD-Reaktionskammer 312 und der Kathodenzerstäubungs- bzw.
Sputterkammer 314 sich wesentlich voneinander unterscheiden.
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In der Hochfreguenz-Ätzkammer 313 wird nach Abschluß des
Hochfrequenzätzens der Zufluß von Argon beendet und das Argon
innerhalb der Hochfrequenz-Ätzkammer 313 evakuiert. Nachdem
die Hochfrequenz-Ätzkammer 313 auf 6,7 x 10&supmin;&sup4;Pa (5 x 10&supmin;&sup6;
Torr) und die Kathodenzerstäubungs- bzw. Sputterkammer 314
auf 6,7 x 10&supmin;&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr) oder weniger evakuiert ist,
wird der bzw. das Asperrschieber bzw. -ventil 310d geöffnet.
Dann wird das Substrat von der Hochfreguenz-Ätzkammer 313 zu
der Kathodenzerstäubungs- bzw. Sputterkammer 314 durch eine
Fördervorrichtung bewegt, was von einem Schließen des
Absperrschiebers bzw. -ventils 310d gefolgt ist.
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Nachdem das Substrat zu der Kathodenzerstäubungs- bzw.
Sputterkammer 314 transportiert worden ist, wird die
Sputterbzw. Kathodenzerstäubungskammer 314 in eine Argonatmosphäre
von 10 bis 10&supmin;¹ Pa (10-1 bis 10&supmin;³ Torr) ähnlich wie die
Hochfreguenz-Ätzkammer 313 versetzt und die Temperatur des
Substrathalters 323 zum Befestigen des Substrats auf ungefähr
200 bis 250ºC eingestellt. Eine Entladung von Argon wird mit
einer Gleichstromleistung von 5 bis 10 kW zum Herausschneiden
eines Zielmaterials wie Aluminium oder Al-Si (Si: 0,5%) und
zur Filmherstellung eines Metalls wie Aluminium, Al-Si usw.
mit einer Abscheidegeschwindigkeit von ungefähr 100 nm/min.
(10000 Ä/min.) auf dem Substrat ausgeführt. Dieser Schritt
ist ein nichtselektiver Abscheideschritt. Dies wird als der
zweite Filmherstellungsschritt zur Herstellung des an die
Elektrode anzuschließenden Anschlusses bezeichnet.
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Nach Bildung eines Metallfilms von ungefähr 500 nm (5000 Å)
wird der Zufluß von Argon und die Anwendung der
Gleichstromleistung beendet. Nach Evakuierung der
Ladeverriegelungskammer 311 auf 6,7 x 10&supmin;¹ Pa (5 x 10&supmin;³ Torr oder weniger) wird
der bzw. das Absperrschieber bzw. -ventil 310e geöffnet und
das Substrat bewegt. Nachdem der Absperrschieber 310e
geschlossen ist, läßt man N&sub2;-Gas in die Ladeverriegelungskammer
311 fließen, bis sie atmosphärischen Druck erreicht, der bzw.
das Asperrschieber bzw. -ventil 310f wird geöffnet und das
Substrat aus der Vorrichtung herausgenommen.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten
Aluminiumfilm-Abscheideschritt kann der Aluminiumfilm 406 auf dem SiO&sub2;-Film
402 gemäß Fig. 6C gebildet werden.
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Durch Versehen des Aluminiumfilms 406 mit Mustern gemäß Fig.
7D kann ein Anschluß mit einer gewünschten Form erhalten
werden.
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Infolgedessen befinden sich der durch das
Kathodenzerstäubungs- bzw. Sputterverfahren hergestellte Aluminiumfilm und
der selektiv den Öffnungen zugeführte Aluminiumfilm in gutem
Kontakt mit einer sowohl elektrisch als auch mechanisch hohen
Festigkeit wegen der guten Oberflächeneigenschaften der
Aluminiumfilme.
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Da die Steuerelektrode in der Oberfläche des
Halbleitersubstrats beerdigt ist, kann ein Transistor mit isoliertem Gate
mit einer kleinen Fläche und einer ebenen Oberfläche
verwirklicht und ein Transistor mit isoliertem Gate mit hoher
Geschwindigkeit und hoher Zuverlässigkeit erhalten werden.