DE3423776C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Ein derartiges Verfahren ist aus der
DE-OS 31 16 268 der Anmelderin bekannt.
Bei der Herstellung einer integrierten Halbleiter
anordnung, bei der Halbleiterschaltungselemente in einem
durch Diffusion aus einer vergrabenen Schicht erhaltenen
Gebiet vorgesehen werden, wie obenstehend beschrieben,
entstehen oft Probleme in bezug auf die Reproduzierbarkeit
der elektrischen Charakteristiken. Diese sind nämlich in
vielen Fällen mehr oder weniger stark abhängig von der
Dotierungskonzentration an der Oberfläche des aus der
vergrabenen Schicht diffundierten Gebietes. So ist bei
spielsweise die Schwellenspannung eines in diesem Gebiet
vorgesehenen Feldeffekttransistors mit isolierter Steuer
elektrode weitgehend von der Dotierung an der Oberfläche
abhängig. Die Faktoren, die bei dem beschriebenen Verfahren
die Dotierungskonzentration an der Oberfläche beeinflussen,
sind hauptsächlich die Dotierung und die Dicke der Epitaxial
schicht und die Dotierungskonzentration der vergrabenen
Schicht, wenn wenigstens die Dotierung des ausdiffundierten
Gebietes völlig oder nahezu völlig durch Diffusion aus der
vergrabenen Schicht bis an die Oberfläche bestimmt wird.
Die Dotierungskonzentration an der Oberfläche kann durch
geringfügige Abweichungen in der Dicke der Epitaxialschicht
und/oder in den Implantationsparametern der vergrabenen
Schicht relativ stark variieren.
Insbesondere dann, wenn die Epitaxialschicht und
die vergrabene Schicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
sind, können dadurch relativ äußerst wichtige Abweichungen
in der Oberflächendotierung auftreten. Wenn, durch eine
zufällige Verdickung der Epitaxialschicht oder durch eine
zufällige Verringerung der Dotierungskonzentration der
vergrabenen Schicht der Punkt, wo die aus der vergrabenen
Schicht diffundierte Dotierungskonzentration die Hinter
grunddotierungskonzentration der Epitaxialschicht gerade
ausgleicht, unterhalb der Oberfläche liegt, entsteht an
der Oberfläche sogar eine Inversionsschicht.
Diese Erscheinungen spielen insbesondere dann eine
wichtige Rolle, wenn in dem ausdiffundierten Gebiet ein
Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode ge
bildet wird. Die Schwellenspannung derselben kann unter
dem Einfluß der obengenannten Faktoren eine relativ große
Streuung zwischen den jeweiligen gleichzeitig bearbeiteten
Halbleiterscheiben aufweisen.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein ver
bessertes Verfahren zu schaffen, bei dem unabhängig von
zufälligen Schwankungen in der Dicke der Epitaxialschicht
und in der Dotierung der vergrabenen Schicht gut definierte
und reproduzierbare Schwellenspannungen des Feldeffekttransistors
erhalten werden können.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des
ersten Anspruches genannten Merkmalen gelöst.
Nach der Erfindung wird die Diffusion aus der ver
grabenen Schicht absichtlich derart durchgeführt, daß an
der Oberfläche eine konstante Bezugsdotierung vorhanden ist,
die als Basisdotierung für die anzubringenden FETs dient,
wodurch zufällige Schwankungen, wie diese obenstehend be
schrieben sind, in der Dicke der Epitaxialschicht und/oder
in der Dotierung der vergrabenen Schicht, keine Rolle mehr
spielen.
Mit Vorteil wird in dem Kanalgebiet in der ge
nannten Oberflächenschicht eine Implantation mit die Schwel
lenspannung bestimmenden Ionen durchgeführt. Dies ist ins
besondere von Bedeutung, wenn die vergrabene Schicht und
die Epitaxialschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
sind. Durch die Implantation wird dann die Oberflächenschicht
in den Leitfähigkeitstyp der vergrabenen Schicht umgewandelt
und zugleich die Schwellenspannung reproduzierbar bestimmt.
Diese Implantation kann unter Umständen ohne zusätzliche
Implantationsmaske erfolgen, wie untenstehend noch be
schrieben wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung bei
einem Verfahren, bei dem außer der ersten vergrabenen
Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps eine zweite ver
grabene Schicht des zweiten entgegengesetzten Leitfähig
keitstyps vorgesehen wird mit einem Dotierungsstoff, der
bei derselben Temperatur nahezu gleich schnell in die
Epitaxialschicht diffundiert wie die der ersten vergrabenen
Schicht und wobei in dem über der zweiten vergrabenen
Schicht liegenden Teil der Epitaxialschicht ein zweiter
Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode von
zu dem ersten Feldeffekttransistor komplementärer Struktur
gebildet wird. Außer etwaigen späteren Schwellenverschie
bungsimplantationen kann die Schwellenspannung des einen
Transistors dann durch die Hintergrunddotierung der
Epitaxialschicht und die Schwellenspannung des anderen
Transistors durch eine einzelne Ionenimplantation bestimmt
werden, wie untenstehend noch näher erläutert wird. Bei
Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial können als
Dotierungsstoff für die beiden genannten vergrabenen
Schichten Bor bzw. Phosphor verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher be
schrieben.
Die Figuren sind nicht maßgerecht, während deut
lichkeitshalber insbesondere die Abmessungen in der Dicken
richtung relativ stark übertrieben sind. Halbleitergebiete
desselben Leitfähigkeitstyps sind im Querschnitt in der
selben Richtung schraffiert. Einander entsprechende Teile
haben in der Zeichnung im allgemeinen dieselben Bezugs
zeichen.
Die Fig. 1 bis 8 zeigen auf schematische Weise im
Querschnitt aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung
einer Halbleiteranordnung, in diesem Beispiel eine inte
grierte Schaltungsanordnung mit zwei komplementären
MOS-Transistoren und mit einem bipolaren Transistor durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausgegangen wird (siehe Fig. 1) von einem halb
leitenden Substratgebiet 1, in diesem Beispiel von einer
p-leitenden Siliziumplatte mit einem spezifischen Wider
stand von beispielsweise 10 Ohm.cm und vorzugsweise mit
einer Oberfläche mit einer <100<-Orientierung. Auf dieser
Oberfläche wird durch thermische Oxydation eine dünne
Oxydschicht 2 gebildet mit einer Dicke von beispielsweise
50 nm. Auf dieser Oxydschicht 2 wird daraufhin durch
Anwendung bekannter Techniken eine beispielsweise 150 nm
dicke Schicht 3 aus Siliziumnitrid niedergeschlagen.
Danach werden unter Anwendung üblicher photolithographischer
Techniken in den Schichten 2 und 3 nebeneinander Öffnungen
4 und 5 geätzt. Durch Implantation von Phosphorionen
(Dosis beispielsweise 2×10¹⁴ Ionen/cm², Energie 170 keV),
werden in diesen Öffnungen n-leitende Schichten 6 und 7
gebildet, wobei die Schichten 2 und 3 als Implantations
maske wirksam sind.
Durch thermische Oxydation, wobei die Schichten 2
und 3 als Anti-Oxydationsmaske wirksam sind, werden auf
den Schichten 6 und 7 Oxydschichten 8 und 9 gebildet,
(siehe Fig. 2), wonach die Schichten 2 und 3 durch Ätzen
entfernt werden und durch Implantation von Borionen p-lei
tende Schichten 10, 11 und 12 gebildet werden. Die Dosis
beträgt in diesem Beispiel auch hier 2×10¹⁴ Ionen/cm², die
Energie 40 keV; die Oxydschichten 8 und 9 dienen bei dieser
Implantation als Implantationsmaske.
Nach Entfernung der Oxydschichten 8 und 9 durch
Ätzen wird nun auf der Oberfläche eine n-leitende Silizium
schicht 13 epitaxial angewachsen, siehe Fig. 3. Die Schich
ten 6, 7, 10, 11 und 12 sind in Fig. 3 und in den folgenden
Figuren einfachheitshalber auf gleichem Pegel und gleich
dick dargestellt. Sie bilden vergrabene Schichten, wobei
die Schichten 10, 11 und 12 vom ersten, in diesem Beispiel
als p-Leitungstyp, und die Schichten 6, 7 sowie die Epitaxial
schicht 13 vom zweiten, n-Leitungstyp sind.
Die genannten vergrabenen Schichten können statt
auf die obenstehend beschriebene Art und Weise auch ent
sprechend anderen Techniken angebracht werden. So kann
beispielsweise zunächst eine Schicht vom einen Leitungstyp
über die ganze Oberfläche angebracht werden, wonach diese
Schicht an bestimmten Stellen weggeätzt wird und an diesen
Stellen unter Verwendung der Ätzmaske als Dotierungsmaske
die vergrabenen Schichten vom anderen Leitungstyp gebildet
werden, wie dies beispielsweise in der bereits genannten
DE-OS 31 16 268 (Fig. 1 bis 5) beschrieben ist.
Die Epitaxialschicht 13 hat in dem obenstehend
beschriebenen Beispiel eine Dicke von 7,5 µm und eine
Dotierungskonzentration von 8×10¹⁴ Phosphoratomen/cm³ bzw.
eine Gesamtdotierung von 7,5×10-4×8×10¹⁴ = 6×10¹¹ Atomen/cm²,
also eine geringere Gesamtdotierung als die vergrabenen
Schichten 6, 7, 10, 11 und 12.
Daraufhin wird während 5 Stunden eine Erhitzung
bei 1200°C durchgeführt, während welcher Erhitzung durch
Diffusion aus jeder vergrabenen Schicht in dem darüber
liegenden Teil der Epitaxialschicht ein Gebiet des Leitungs
typs der vergrabenen Schicht gebildet wird. Auf diese Weise
entstehen (siehe Fig. 4) über den vergrabenen Schichten 10,
11 und 12 p-leitende Gebiete 10A, 11A und 12A, während
über den vergrabenen Schichten 6 und 7 n-leitende Gebiete
6A und 7A gebildet werden. Die vergrabenen Schichten diffun
dieren auch in dem Substratgebiet 1; die Lage der ursprüng
lichen Grenzfläche zwischen der Epitaxialschicht 13 und
dem Substratgebiet 1 ist durch eine strichpunktierte Linie 14
bezeichnet. Die pn-Übergänge zwischen den p-leitenden Ge
bieten 10A, 11A und 12A einerseits und den n-leitenden
Gebieten 6A und 7A andererseits stehen nahezu senkrecht
auf der Oberfläche, weil Bor und Phosphor nahezu gleich
schnell diffundieren, wie dies bereits in der genannten
DE-OS 31 16 268 eingehend beschrieben wird, so daß die
lateralen Diffusionen von Bor und Phosphor einander nahezu
ausgleichen.
Nach der Erfindung wird nun die genannte Diffusion
derart durchgeführt, d. h. werden die Zeit und die Tempe
ratur der Diffusion derart gewählt, daß über der vergra
benen Schicht, in diesem Beispiel über jeder vergrabenen
Schicht, an der Oberfläche eine dünne Schicht 13A der
n-leitenden Epitaxialschicht 13 mit nahezu der ursprüng
lichen Dotierung übrig bleibt, wie dies in Fig. 4 darge
stellt ist. Diese dünne n-leitende Oberflächenschicht 13A
bildet mit den p-leitenden Gebieten 10A, 11A und 12A
pn-Übergänge. Beim Anbringen der Halbleiterschaltungselemente
in den Gebieten 6A, 7A, 10A, 11A und 12A ist diese Ober
flächenschicht 13A als Bezugsdotierung verfügbar, die von
zufälligen Schwankungen der Dotierung der vergrabenen
Schichten und der Dicke der Epitaxialschicht 13 unabhängig
ist.
In Fig. 4A ist auf schematische Weise das Diffusions
profil (NB) der Boratome in den Gebieten 10A, 11A und 12A
senkrecht auf und von der Oberfläche angegeben. In Fig. 4B
ist das gleiche für die Phosphoratome (Np) in den Gebieten
6A und 7A gemacht. In beiden Fällen ist auch die n-leitende
Hintergrunddotierung (NE) der Epitaxialschicht 13 angegeben.
Der Absolutwert der gesamten resultierenden Netto-n-Dotierung
ND-NA in der Nähe der Oberfläche ist gestrichelt angegeben.
In dem Fall der Fig. 4A befindet sich dann, wie obenstehend
bereits beschrieben, an der Oberfläche eine n-leitende
Schicht (13A), die auf einer Tiefe Xj von etwa 0,6 µm mit
dem darunterliegenden Gebiet (10A, 11A oder 12A) einen
pn-Übergang bildet.
In den Gebieten 6A, 7A und 11A werden daraufhin
Halbleiterzonen, die zu den jeweiligen Halbleiterschaltungs
elementen gehören, angebracht, was in diesem Beispiel wie
folgt stattfindet.
Zunächst wird auf der Oberfläche eine Anti-Oxyda
tionsmaske angebracht. Dazu wird eine dünne thermische
Oxydschicht 15 und darauf eine Siliziumnitridschicht 16
angebracht, wonach diese Schichten durch übliche photo
lithographische Ätztechniken in das gewünschte Muster ge
bracht werden, wobei die auf diese Weise erhaltene Anti-
Oxydationsmaske in jedem der über den vergrabenen Schichten
liegenden Gebiete 6A, 7A und 11A Randteile dieser Gebiete
freiläßt, siehe Fig. 5.
Danach werden durch Implantation von Phosphorionen
bei einer Energie von beispielsweise 70 keV und einer Dosis
von 10¹² Ionen/cm² n-leitende kanalunterbrechende Zonen 17
gebildet, siehe Fig. 5. Die Anti-Oxydationsmaske (15, 16)
ist dabei als Implantationsmaske wirksam.
Daraufhin wird außerhalb des Gebietes 11A eine
Implantationsmaske 18 in Form einer Photolackschicht ange
bracht, siehe Fig. 6. Dann werden durch Implantation von
Borionen (Dosis 5×10¹³ Ionen/cm², Energie 16 keV) selektiv
in den Randteilen des Gebietes 11A p-leitende kanalunter
brechende Zonen 19 gebildet (siehe Fig. 6), wobei diese
Borimplantation die frühere Phosphorimplantation 17 über
dotiert. Die Photolackschicht 18 sowie die Oxydnitrid
schicht (15, 16) maskieren gegen diese Borimplantation.
Dann wird in dem Gebiet 11A in dem Kanalgebiet des
zu bildenden Feldeffekttransistors, in der Oberflächen
schicht 13A eine Implantation mit Borionen durchgeführt,
wodurch die n-leitende Schicht 13A p-leitend wird, siehe
Fig. 7. Die letztere Implantation 20, bei einer Energie
von 60 keV und einer Dosis von 10¹¹ Ionen/cm² dringt teil
weise durch die Anti-Oxydmaske (15, 16), nicht aber durch
die Photolackschicht 18 hindurch und bestimmt, abgesehen
von etwaigen späteren Schwellenverschiebungsimplantationen,
die Schwellenspannung.
Daraufhin wird die Photolackschicht 18 entfernt.
Durch Erhitzung bei 1000°C während 2 Stunden in einer
Atmosphäre feuchten Sauerstoffs wird dann (siehe Fig. 8)
ein teilweise in dem Halbleiterkörper versenktes Oxyd
muster 21 gebildet, wonach die Anti-Oxydationsmaske (15, 16)
durch Ätzen entfernt wird. Die kanalunterbrechenden Zonen
17 und 19 befinden sich dann unter dem Oxydmuster 21.
In den nach Entfernung der Anti-Oxydmaske (15, 16)
freiliegenden Teilen der Siliziumoberfläche werden nun
auf übliche Weise Halbleiterschaltungselemente angebracht.
Dies sind in diesem Beispiel (siehe Fig. 8) in dem n-leiten
den Gebiet 6A ein p-Kanal MOS-Transistor vom Anreicherungs
typ, in dem p-leitenden Gebiet 11A ein n-Kanal MOS-Transis
tor ebenfalls vom Anreicherungstyp und im n-leitenden Ge
biet 7A ein bipolarer vertikaler npn-Transistor. Dabei
wird das Oxydmuster 21 als Dotierungsmaske benutzt. Das
Anbringen der p-leitenden Basiszone 22 des bipolaren
Transistors kann beispielsweise durch Implantation von
Borionen erfolgen, und zwar unter Abdeckung der weiteren
freiliegenden Teile der Siliziumoberfläche mittels einer
nicht-kritischen Photolackmaske. Danach wird die Oberfläche
durch thermische Oxydation mit einer beispielsweise etwa
50 nm dicken Oxydschicht 23 bedeckt, worauf nach bekannten
Techniken eine polykristalline Siliziumschicht 24 nieder
geschlagen wird. Nachdem diese durch Diffusion oder Implan
tation stark n-leitend gemacht worden ist, werden daraus
durch photolithographisches Ätzen die Gate-Elektroden
einschließlich der Anschlüsse und der Zwischenverbindungen
der MOS-Transistorschaltung gebildet, siehe Fig. 8. Diese
werden durch thermisches Oxydieren mit einer Oxydschicht 25
versehen und dann zusammen mit nicht-kritischen Photolack
masken als Implantationsmaske beim Implantieren der p-lei
tenden Source- und Drain-Zonen 26 bzw. 27 in dem Gebiet 6A
und der n-leitenden Source- und Drain-Zonen 28 und 29 in
dem Gebiet 11A benutzt. Die Emitterzone 30 und die Kollektor
kontaktzone 31 des bipolaren Transistors können gleich
zeitig mit den Source- und Drain-Zonen 28 bzw. 29 gebildet
werden, während die Basis-Kontaktzone 32 gleichzeitig mit
den Source- und Drain-Zonen 26 bzw. 27 gebildet werden kann.
Über Fenster in einer über das Ganze angebrachten
Oxydschicht 33 werden letzten Endes die jeweiligen Anschluß
elektroden angebracht, wonach die Anordnung fertig ist
und in einer geeigneten Umhüllung angebracht werden kann
und weiter auf übliche Weise fertig montiert wird.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung,
wobei in einem Oberflächenteil eines halbleitenden Substratgebietes durch Einführung eines Dotierstoffes eine zu vergrabende Schicht eines ersten Leitungstyps gebildet wird,
wonach auf dem Substratgebiet eine Epitaxialschicht vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp mit einer niedrigeren Dotierung, als die zu vergrabende Schicht angewachsen wird und
in dem über der vergrabenen Schicht liegenden Teil der Epitaxialschicht unter Verwendung einer Diffusion aus der vergrabenen Schicht ein Gebiet des ersten Leitungstyps gebildet wird,
in welchem Gebiet des ersten Leitungstyps Halbleiterzonen eines Feld effekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode angebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet (11a) des ersten Leitungstyps gebildet wird durch Diffusion aus der vergrabenen Schicht (11), die in dem darüberliegenden Teil der Epitaxialschicht (13) so weit durchgeführt wird, daß eine Oberflächenschicht (13a) mit nahezu derselben Dotierungskonzentration wie die der ursprünglichen Epitaxialschicht zurückbleibt, wonach durch eine Implantation die Oberflächenschicht (13a) im Bereich des Kanalgebietes des zu bildenden Feldeffekttransistors mit die Schwellenspannung bestimmenden Ionen des ersten Leitungstyps dotiert wird.
wobei in einem Oberflächenteil eines halbleitenden Substratgebietes durch Einführung eines Dotierstoffes eine zu vergrabende Schicht eines ersten Leitungstyps gebildet wird,
wonach auf dem Substratgebiet eine Epitaxialschicht vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp mit einer niedrigeren Dotierung, als die zu vergrabende Schicht angewachsen wird und
in dem über der vergrabenen Schicht liegenden Teil der Epitaxialschicht unter Verwendung einer Diffusion aus der vergrabenen Schicht ein Gebiet des ersten Leitungstyps gebildet wird,
in welchem Gebiet des ersten Leitungstyps Halbleiterzonen eines Feld effekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode angebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet (11a) des ersten Leitungstyps gebildet wird durch Diffusion aus der vergrabenen Schicht (11), die in dem darüberliegenden Teil der Epitaxialschicht (13) so weit durchgeführt wird, daß eine Oberflächenschicht (13a) mit nahezu derselben Dotierungskonzentration wie die der ursprünglichen Epitaxialschicht zurückbleibt, wonach durch eine Implantation die Oberflächenschicht (13a) im Bereich des Kanalgebietes des zu bildenden Feldeffekttransistors mit die Schwellenspannung bestimmenden Ionen des ersten Leitungstyps dotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Diffusion aus der vergrabenen Schicht an der Stelle
des zu bildenden Feldeffekttransistors eine Anti-Oxydations
maske angebracht wird, die Randteile des Gebietes über der
vergrabenen Schicht freiläßt, und außerhalb des Gebietes
eine Implantationsmaske angebracht wird, wonach durch
Ionenimplantation selektiv in den Randteilen kanalunter
brechende Zonen gebildet werden, wonach die genannte Implan
tation in dem Kanalbereich mit einer derartigen Energie durchgeführt wird, daß
die Ionen durch die Anti-Oxydationsmaske hindurchdringen,
durch die Implantationsmaske jedoch nicht hindurchdringen,
und daß dann die Implantationsmaske entfernt wird und in
den nicht durch die Anti-Oxydationsmaske bedeckten Teilen
der Oberfläche durch thermische Oxydation ein versenktes
Oxydmuster gebildet wird.
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