DE3110477A1 - Verfahren zur herstellung von cmos-bauelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von cmos-bauelementen

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DE3110477A1 DE19813110477 DE3110477A DE3110477A1 DE 3110477 A1 DE3110477 A1 DE 3110477A1 DE 19813110477 DE19813110477 DE 19813110477 DE 3110477 A DE3110477 A DE 3110477A DE 3110477 A1 DE3110477 A1 DE 3110477A1
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Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER- D 4300iiSSeN 1 "AfÖTRiJHRSIEirJ.V TEL.: (0201) 4126 Seite I . I
:I ;
INTEL CORPORATION 3065 Bowers Avenue,. Santa Clara, Kalifornien,, V.St.A.
Verfahren zur Herstellung von CMOS-Bauelementen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von CMOS-Bauelementen und insbesondere zur Bildung von Kanalsperren (channel stops) beim Aufbau der CMOS-Bauelemente.
Komplementäre Metalloxidhalbleitertransistoren (CMOS-Transisbören), die auch als COS/MOS-Transistoren bekannt sind, werden häufig in Schaltungen verwendet, die eine geringe Energieaufnahme bedingen. CMOS-Feldeffekttransistoren sind durch ihre hohen Schaltgeschwindigkeiten und ihre sehr hohe Rauschunempfindlichkeit über einen weiten Bereich von Betriebsspannungen gekennzeichnet, wodurch sie für viele Anwendungsfälle brauchbar werden·
In jüngster Zeit wurde entdeckt, daß in MOS-Schaltungen hoher Packungsdichte (mit η-Kanal oder p-Kanal-Bauelementen) ionisierte Teilchen, welche durch das. Substrat wandern, zu Störungen führen. Insbesondere erzeugen Alphateilchen freie Minoritätsträger, welche beispielsweise unter.die Gate-Elektroden aktiver Bauelemente wandern und Ladungsmuster verändern oder stören. Die sich ergebenden Ausfälle oder Störungen, die häufig als "weiche Störungen oder Ausfälle" bezeichnet werden, werden problematischer als die Erhöhung der
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Packungsdichten. CMOS-Schaltungen sind jedoch praktisch unempfindlich gegenüber derartigen Ausfällen,und aus diesem Grunde hat die CMOS-Technologie für Anwendungen hoher Dichte eine besondere Bedeutung erlangt.
Bei der Herstellung von CMOS-Bauelementen werden Kanalsperren (die auch als "Schutzbänder" oder "Isolationszonen" bezeichnet werden) in dem Substrat derart gebildet, daß sie aktive Bauelemente umgeben. Diese Zonen sind in typischer Ausführung hoch dotierte "Rahmen" desselben Leitungstyps wie die Wirtszone des aktiven Bauelements. Sie dienen zur Verringerung von Leckströmen zwischen benachbarten Bauelementen, wie sie beispielsweise durch MOS-Streuwirkung.hervorgerufen werden können. Diese MOS-Wirkung resultiert häufig aus Potentialen an Verbindungsleitungen o.dgl.
Bei einem gewöhnlich verwendeten Verfahren zur Herstellung von CMOS-Bauelementen werden zuerst Mulden (z. B. p-Mulden) gebildet. Danach werden mit einer anderen Maskieroperation die n-Kanal-Bauelemente in den p-Mulden zusammen mit den n-Kanal-Sperren hergestellt. Sodann findet ein zusätzlicher Maskierschritt Verwendung, um die p-Kanal-Bauelemente und die p-Kanal-Sperren zu definieren. Die Kanal sperren müssen notwendigerweise von den aktiven Bauelementen entfernt angeordnet sein.
In der US-PS 4 013 484 ist ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von CMOS-Kanal-Sperren beschrieben. Mit diesem Verfahren werden die Kanalsperren in Ausrichtung zueinander und zu aktiven Bauelementen ohne zusätzliche Maskierschritte hergestellt. Diese Sperren sind aneinander und an eine Source- oder Drainzone der aktiven Bauelemente angrenzend, wodurch eine Herstellung mit besonders hoher Packungsdichte möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
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Herstellung von CMOS-Bauelementen mit Kanalsperren dadurch wesentlich zu vereinfachen} daß die Kanalsperren als Nebenprodukt bei der Bildung von Feldoxidzonen entstehen. Außerdem eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer statischen Speicherzelle (bistabile Schaltung)' ohne Metallkontakte.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung einer Isolationszone oder einer Kanalsperre in einem eine n-leitende Zone oder eine η-Mulde enthaltenden Substrat wird eine Öffnung durch eine Siliziumnitrid (SigN.) Schicht im Umfangs bereich der η-Mulde gebildet. Das Substrat wird durch die Öffnung mit einem p-leitenden Dotierstoff dotiert. Danach wird ein Feldoxid an der Öffnung auf das Substrat aufgewachsen. Dieses aufgewachsene Oxid bildet eine n-leitende Zone in der Nachbarschaft der η-Mulde aus den gesammelten η-leitenden Dotierstoffen aus der η-Mulde. Eine p-leitende Zone wird ebenfalls neben der η-leitenden Zone aus dem von dem potierschr'itt verbleibenden p-leitenden Dötierstoff gebildet. Auf diese Weise werden n-leitende· und p-leitende Isolationszonen gleichzeitig während des Aufwachsens des Feldoxids gebildet.
Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Substrat zur Veranschaulichung, der Bildung einer η-leitenden Mulde im Substrat;
Fig. 2 ein Substrat gemäß Fig. 1 nach dem Wiederaufwachsen eines Oxids über der n-leitenden Mulde;
Fig. 3 das Substrat gemäß Fig* 2 in einer, späteren Verarbeitungsphase nach der Bildung einer Öffnung in einer SigN.-Schicht;
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Fig. 4t das Substrat gemäß Fig. 3 bei einer nachfolgenden Dotierung;
Fig. 5 das Substrat gemäß Fig. 4 nach der Bildung eines Feldoxids;
Fig. 6 das Substrat gemäß Fig. 5 nach einem Maskierschritt und während eines Dotierschritts, wobei dieser Dotierschritt zur Bildung der Source- und Drainzonen für einen p-Kanal-Transistor dient;
Fig. 7 das Substrat gemäß Fig. 6 nach der Ausbildung einer Öffnung für einen vergrabenen Kontakt in einer der;p-leitenden Zonen;
Fig. 8 das Substrat gemäß Fig. 7 nach der Bildung eines Polysiliziumschichtmusters auf dem Substrat;
Fig. 9 das Substrat gemäß Fig. 8 bei einem nachfolgenden Dotierschritt; und
Fig. 10 ein Schaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten bistabilen ■Speicherzelle.
Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines komplementären Metalloxidhalbleiterbauelements (CMOS-Bauelement). Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer Isolationszone (Kanalsperre) mit einer η-leitenden Zone und einer benachbarten p-leitenden Zone. Diese Zonen werden während des Aufwachsens eines Feldoxids gleichzeitig gebildet.
Im folgenden wird zunächst auf Figur 1 bezug genommen. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein p-leitendes monokristall ines Siliziumsubstrat 10 verwendet, das auf ein Niveau von 60 Ohm-cm dotiert wird. Eine η-leitende Mulde (n-leitende Zone 14) wird in dem Substrat ausgebildet, und p-Kanaltransistoren werden in dieser Mulde hergestellt. (Hierin liegt eine
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j gewisse Abweichung von vielen bekannten Verfahren» bei denen das Ausgangsmaterial ein p-leitendes Silizium und nicht ein η-leitendes Silizium ist.)
Zunächst wird eine Oxidschicht 11 (Siliziumdioxid) von etwa 550 8 Dicke auf das Substrat aufgewachsen. Danach wird mit Hilfe üblicher Maskier- und .. Äbzschritte eine Öffnung 12 durch eine Fotolackschicht und die Oxidschicht 11 gebildet. Diese Öffnung definiert eine Substratzone für die n-leitende Mulde 14. Bei dem,bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
j Phosphor durch Ionenimplantation bei einer Energie von
' 12
\ 50 keV auf eine Konzentration von 4,0 χ 10 zur Bildung
der η-Mulden gebracht.
• Danach wird das Oxid auf der Oberfläche des Substrats ent-
j sprechend der Darstellung in Fig. 2 erneut aufgewachsen,
; nachdem zuvor die Fotolackschicht entfernt worden ist. Die
Oxidschicht über der Zone 14 wächst rascher als über den ι anderen Bereichen, wo das Silizium durch die Oxidschicht
j 11 geschützt ist. Wenn auch die Oxiddicke unkritisch ist,
wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Oxidschicht von 550.8 über der Zone 14 (Schicht lib) aufgewachsen, wobei die Dicke des Oxids über den restliehen Zonen (z. B. in den durch die Schicht lla dargestellten Zonen) auf etwa 850 A anwächst.
Das i,Neuaufwachsen des Oxids nach der Bildung der Mulde führt zur Bildung der Kanten 13, welche die Peripherie der η-leitenden Zone umreißen bzw. zeichnen. Dies ist von großem Wert, da es eine relativ leichte Maskenausrichtung mit der Mulde während der nachfolgenden Behandlungsschritte ermöglicht.
Danach wird eine Siliziumnitrid- (Si3N4) Schicht 16 einer Dicke von 1000 A über den Oxidschichten lla und lib niedergeschlagen. Sodann Wird das Substrat einem Hochtemperatur-
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Treibschritt unterworfen, um den n-^leitenden Dotierstoff in das Substrat einzudiffundieren, wodurch die tiefe Mulde 14 gemäß Fig. 3 definiert wird; (zu beachten ist, daß bei den Seitenansichten gemäß den Figuren 3 bis 9 das Substrat nach links verschoben wurde, um die Kante bzw. den Rand der Mulde besser darstellen zu können).
Als nächstes wird durch herkömmliche Maskierung und Ätzung eine Öffnung 20 am Umfang der Mulde 14 durch die Fotolackschicht 17 und die Siliziumnitridschicht 16 gebildet. Die Ränder 13 der Oxidschichten ermöglichen eine geeignete Maskierungsausrichtung (wie erwähnt), um sicherzustellen, daß der Rand (oder die Ränder) der. Mul,de 14 innerhalb der Öffnung 20 liegt.
Danach wird die Öffnung, wie in Figur 4 gezeigt ist, zur Bildung der p-leitenden Zone 21.verwendet. In dem bevorzugten Beispiel wird die Zone 21 durch Ionenimplantation von Bor
13 —2
bei einer Dosis von 1 χ 10 cm gebildet. Die Zone 21 schneidet den Rand.der Mulde 14; der.p-leitende Dotierstoff aus der Zone 21 eliminiert praktisch den Rand der (η-leitenden) Mulde 14.
Eine Feldoxidschicht 27 wird jetzt auf dem Substrat aufgewachsen. Bekanntlich verhindert die Siliziumnitridschicht 16 das Wachstum des Oxids, so daß das Oxid in erster Linie in der Öffnung 20 für den dargestellten Teil des Substrats wächst. Beispielsweise kann das Oxid in einer feuchten Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 9200C über 12 Stunden gezüchtet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Oxidschicht 27 bis auf eine Dicke von etwa l,2yum gezüchtet.
Da die Oxidschicht 27 gemäß Fig. 5 in die η-leitende Mulde 14 wächst, wird der Phosphordotierstoff innerhalb dieser Mulde gegen den Rand des Oxids gedrängt. Der Phosphordotier-
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stoff diffundiert' nicht ohne weiteres in das Oxid ein, wie dies Bor als Dotierstoff tun würde. Daher wird die in Figur 5 dargestellte Zone 25 gebildet, welche eine höhere Dotierstoff konzentration (η-leitender Dotierstoff) hat als die Mulde. Während Bor in das Oxid während des Wachstums1eindiffundiert, bleibt doch genügend Bor aus der Zone 21 zurück, um die Zone 24 zu bilden. Daher Werden bei der Züchtung der Oxdizone 27 die aneinander angrenzenden Zonen 24 und 25 gebildet. Diese Zonen bilden eine Kanalsperre öder eine. Isolationszone, die dadurch gekennzeichnet,ist, daß sie mit einem Minimum an Prozeßaufwand, im Ergebnis als Nebenprodukt der Peldoxidformation gebildet wird.
im folgenden wird auf Figur 6 Bezug genommen. Ein üblicher Maskierschritt wird zum Ätzen einer Fotolackschicht 30 verwendet, wodurch die öffnungen 32 und 33 gebildet werden. Durch diese öffnungen werden Source- und·Drain-Zonen für das p-Kanal-Bauelement gebildet* Durch Ionenimplantation von Bor durch diese Öffnungen, werden die Zonen 35 und 36 ge-
15 —2 bildet. (Eine Dosis von 5 χ 10 cm ist geeignet.)
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Oxidschichten 11a und 11b nach der Entfernung der Fotolackschicht 13 abgezogen, worauf eine Gate-Oxidschicht 15 auf dem Substrat aufgewachsen wird. Dieses neue Oxid hat eine Stärke von etwa 400 8 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel. Eine Öffnung 38 (Figur 7)· wird danach durch die Schicht 15 geätzt, um einen Teil der Zone 35 freizulegen; hierbei finden übliche Maskier- und Xtzschritte Verwendung.
Eine Schicht aus polykristallinem Silizium bei einer Stärke von angenähert 5500 A* wird danach über dem Substrat aufgebaut. Dieses Polysilizium wird mit Phosphor dotiert· Das Polysilizium erhalt danach das geeignete Muster zur Bildung der Elemente der integrierten Schaltung, z.B.. der Gate-Elektrode 40 und der Leitung '39 in Figur 8i Die Gate-
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Elektrode 40 ist von den Zonen 35 und 36 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel um etwa 3,5 μτα beabstandet. Die Leitung 39 kontaktiert die p-leitende Zone 35 durch Öffnung 38. Der η-leitende Dotierstoff diffundiert aus diesem Polysiliziumelement in die Zone 35 und bildet eine η-leitende Zone 37 innerhalb der Zone 35..
Wie in Figur 9 gezeigt ist, wird das Substrat einer Bor-
14 -2 implantation bis zu einer Konzentration von etwa 1 χ 10 cm unterworfen. Dieses implantat bildet die p-leitenden "Brücken-" Zonen 42 und 43. Diese Zonen verlaufen ausgerichtet mit der Gate-Elektrode 40 und erstrecken sich von den primären Source- und Drain-Zonen 35 und 36 bis zu den Rändern der Gate-Elektrode 40. Nur aus den schwächer dotierten Zonen 42 und 43 erfolgt (während der nachfolgenden Behandlung) eine Seitendiffusiön von Bor urfcer die Gate-Elektrode 40. Da die Dotierstoffkonzentration in den Zonen 42 und 43 wesentlich niedriger als diejenige in den primären Zonen 35 und 36 ist, ist auch die Diffusion unter das Gate sehr gering. Auf diese Weise wird auch die Miller-Kapazität des p-Kanal-Bauelements gemäß Fig. 9 verringert.
Es. ist für den Fachmann klar, daß bekannte Behandlungsschritte zur Herstellung des η-Kanal-BauelementS für die zuvor beschriebene CMOS-Schaltung verwendet werden können und daß diese Bauelemente gleichzeitig mit der Herstellung des in Figur 9 gezeigten p-Kanal-Bauelements hergestellt werden können.
Im folgenden wird auf Figur 10 Bezug genommen, in der eine bistabile Schaltung (Flipflop) gezeigt ist, die gewöhnlich in einem statischen Speicher verwendet wird. In der Schaltung gemäß Fig. 10 sind die p-Kanal-Bauelemente (Lasten) mit den n-Kanal-Bauelementen über Dioden verbunden. Diese Dioden werden von dem Übergang zwischen den Zonen 35 und
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der Anordnung gemäß Figur 9 gebildet (und ein gleicher Übergang in dem anderen p-Kanal-Bauelement, das gleichzeitig hergestellt wird). Die Leitung 39 verbindet die Zone 37 mit den beiden Gate-Elektroden der vier Transistoren der bi- . stabilen Schaltung und außerdem mit der'Drain-Zone, (nicht gezeigt) eines n-Kanal-Bauelements. ;
Bei dem beschriebenen Verfahren bildet die Zone 37 (welche in Wirklichkeit ein vergrabener Kontakt ist) eine Verbindung zum p-Kanal-Bauelement der bistabilen Schaltung. Dieser Kontakt wird mit dem invertierten· Verfahren leicht gebildet. Dies steht im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Schaltungsanordnungen, bei denen Metallkontakte für diese Verbindung verwendet werden müssen. Die Erfindung ermöglicht den Aufbau dieser bistabilen Schaltungen auf einer kleiner Substrat*· fläche, da die Metallkontakte überflüssig werden.
Das beschriebene CMOS-Herstellungsverfahren liefert also Isolationszonen oder· Kanalsperren als Nebenprodukt bei der Feldoxidbildung. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung bistabiler. Schaltungen ohne1 Metallkontakte. Außerdem werden p-Kanal-Bauelentente mit dem Verfahren verfügbar gemacht, die eine minimale Miller-Kapazität haben· .
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Claims (11)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung von CMOS-Bauelementen mit einer (analsperre in einem Substrat, das eine η-leitende Zone und eine Siliziumnitridschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (20) durch die Siliziumnitridschicht (16) in einem Umfangsbereich der η-leitenden Zone (14) gelegt wird, daß das Substrat (10) mit einem p-leitenden Dotierstoff durch die Öffnung dotiert wird, daß im Bereich der Öffnung eine Oxidschicht (27) auf dem Substrat'derart gebildet wird, daß eine erste Zone (25) durch Sammlung von η-leitendem Dotierstoff aus der n-leitenden Zone und eine zweite Zone (24) neben der ersten Zone aus dem bei der Dotierung zugeführten p-leitenden Dotierstoffe entstehen und daß die ersten und zweiten Zonen (25, 24) als Kahalsperre verwendet werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung durch Ionenimplantation mit Bor erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine η-leitende Mulde (14) im Substrat (10) und eine Schicht aus Siliziumnitrid (16) auf dem Substrat gebildet werden, daß eine Öffnung in die Siliziumnitridschicht derart gelegt wird, daß sie einen Teil der Mulde und einen Teil des Substrats neben der Mulde überspannt, daß das Substrat danach durch die Öffnung mit einem pleitenden Dotierstoff dotiert und die Oxidschicht (27) im
    Z/ko.
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    Bereich der Öffnung (20) gebildet wird,- wobei durch Sammlung von η-leitendem Dotierstoff aus der Mulde unter der Oxidschicht die η-leitende erste Zone neben der p-leitenden aweiten Zone entsteht. - ·
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die η-leitende Mulde durch Bildung einer Oxidschicht auf dem Substrat und Ätzen der Oxidschicht zur Definition einer Substratzone für die Mulde hergestellt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht über der η-leitenden Mulde derart wiederaufgewachsen wird, daß eine sichtbare Kante zur Begrenzung der Mulde.entsteht. . .
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (14) mit einem Phosphordotierstoff gebildet wird.
  7. 7. verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als p-leitender Dotierstoff Bor verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bildung eines p-Kanal-Trahsistors mit einem integralen.', vergrabenen Kontakt und einer Kanalsperre, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Substrat (10) eine η-leitende Mulde (14) gebildet wird, daß eine erste Zone (21) an der Peripherie der nleitenden Mulde mit einem p-leitenden Dotierstoff dotiert wird, daß ein Oxid (27) an der ersten Zone derart aufgewachsen wird, daß eine Kanalsperre mit benachbarten n- und p-leitenden Zonen (25, 24) entsteht, daß p-leitende Source- und prainzonen (35 und 36) mit gegenseitigem Abstand im Substrat.innerhalb der η-leitenden Mulde für den p-Kanal-Transistor gebildet werden, wobei eine der Source- und Drainzonen der η-leitenden Zone (25) der Kanalsperre benachbart ist, daß danach eine mit einem η-leitenden Dotierstoff
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    dotierte Polysiliziumschicht (39, 40) derart auf dem Substrat niedergeschlagen wird, daß sie eine (35) der Source- und Drainzonen unter Bildung einer η-leitenden Zone (37) innerhalb der Source- bzw. Drainzone kontaktiert und daß die Polysiliziumschicht danach zur Bildung einer Gate^-Elektrode (40) zwischen den beabstandeten source- und Drainzonen und einer mit der einen der Source- und Drainzonen in Kontakt stehenden Leitung in ein Muster gebracht wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß zwei zusätzliche p-leitenden Zonen (42, 43) mit leichterer
    Dotierung als die Source- und Drainzonen in Fortsetzung der
    einander zugewandten Seiten der Source- und Drainzonen (35, 36) hergestellt werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (21) mit Bor dotiert wird.
  11. 11. .. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die η-leitende Mulde (14) mit Phosphor dotiert wird.
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