DE2926334A1

DE2926334A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementen, insbesondere von ladungsgekoppelten bauelementen

Info

Publication number: DE2926334A1
Application number: DE19792926334
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Martin Feist
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1978-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1980-01-03
Also published as: FR2430093B1; IT7949571A0; US4216574A; FR2430093A1; DE2926334C2; CA1139879A; JPS6318345B2; GB2024507A; AU524673B2; JPS558100A; AU4789279A; GB2024507B; IT1120458B

Description

& HUFNAGEL

LANDVVEHHSTR. 37 8000 MÜNCHEN 2 TEL. O 8Ö / 50 67 84

München, den 28. Juni 1979 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat.

Raytheon Company, l4l Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von ladungsgekoppelten Bauelementen.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD), vor allem solchen mit verdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb.

Es ist allgemein bekannt, daß ladungsgekoppelte Bauelemente eine Vielzahl von Gates umfassen, die über die Oberfläche eines Halbleitersubstrats verteilt zwischen einer Eingangs- oder Sourceregion und einer Ausgangsoder Drainregion des Substrats angeordnet sind. Bei phasen- und taktgerechter Ansteuerung der Gates "wird eine in die Sourceregion eingeführte elektrische Ladung in einer Richtung, parallel zur Oberfläche des Substrats weitergeschoben, bis sie in der Drainregion entnommen wird. Die Ladung wird dabei in vorgegebenen räumlichen Abständen, die durch die sogenannten Zellen

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vorgegeben sind, und in zeitlichen Abständen, die durch die sogenannten Taktperioden vorgegeben sind, ■weitergeleitet. Ladungsgekoppelte Bauelemente können allgemein durch zwei Kriterien charakterisiert werden. Das eine bezieht sich auf die Taktung oder Betriebsphasen, wobei zwischen Anordnungen mit Zwei-Drei- oder Vierphasenbetrieb unterschieden wird, und auf den Ort des Ladungstransport, wobei zwischen Anordnungen mit Oberflächenkanal oder verdecktem Kanal unterschieden wird.

Anordnungen mit Zweiphasenbetrieb sind am wenigsten komplex. Bei diesen werden im allgemeinen zwei Gruppen von sich abwechselnden Gateelektroden verwendet, von denen eine Gruppe mit Signalen getaktet wird, die gegenüber den Signalen für die andere Gruppe phasenverschoben sind. Bei einer bekannten Anordnung mit Zweiphasenbetrieb besteht jede Gateelektrode aus zwei Sektionen, von denen eine erste Sektion auf einer das Substrat überdeckenden Oxidschicht ausgebildet ist, wobei das Substrat dicker ist als die Oxidschicht, über der die zweite Sektion ausgebildet ist. Auf diese Weise ist das elektrische Potential unterhalb der jeweils zweiten Sektion immer höher als das Potential unterhalb der jeweils ersten Sektion der Gateelektroden. Wenn daher jede Sektion einer Gateelektrode mit demselben Taktsignal beaufschlagt wird, entstehen zwei unterschiedliche elektrische Potentiale unterhalb der Sektionen einer solchen Gateelektrode. Beim Verschieben der Ladung wird diese zunächst in den Teil des Substrats überführt, der unterhalb der ersten Sektion der Gateelektrode liegt - diese Sektionen werden daher auch als Transfersenken bezeichnet - , und dann in den Teil des Substrats weitergeleitet, der unterhalb der zweiten Sektion der Gateelektrode liegt - diese Sektion wird daher auch als Speichersenke bezeichnet.

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Bei anderen Ausführungsform für Zweiphasenbetrieb mit Oberflächenkanal -wird jede Gateelektrode in zwei Schritten ausgebildet. Dabei werden die Sektionen der Gate- . elektroden, die über den Speichersenken liegen, als erstes mit Abstand voneinander über einem Oxid gebildet, das die Oberfläche eines p-Siliziumsubstrats bedeckt. Die Sektionen der Gatelektroden werden dann als Ionenimplantationsmaske benutzt, und Borionen werden in die Teile des Substrats zwischen den einzelnen bereits ausgebildeten Sektionen der Gatelektroden implantiert, so daß eine verstärkte p-Dotierung für die Transfersenken entsteht, die das elektrische Potential im Substrat im Vergleich zu dem der Speichersenken verringert. Die zweiten Sektionen der Gatelektroden werden dann über den Transfersenken ausgebildet.

Um bei den ladungsgekoppelten Anordnungen die Geschwindigkeit zu erhöhen und den Ladungstransport effektiver zu gestalten, wird das elektrische Randfeld zwischen den Gateelektroden der nebeneinander liegenden Zellen., besonders dessen Komponente entlang der Oberfläche des Substrats ausgenutzt und eine Beschleunigung des Ladungsträgertransports durch Ausbildung eines Transportkanals für die Ladung unter der Oberfläche des Substrats bewirkt. Unter der Oberfläche ist nämlich das elektrische Feld parallel zur Substratoberfläche stärker als an der Oberfläche. Anordnungen mit verdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb verbinden daher den Vorteil der geringsten Schaltkreiskomplexität und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit bei geringstem Ladungsverlust während des Ladungstransports zwischen den nebeneinanderliegenden Zellen.

Eine allgemein bekannte Methode, Anordnungen mit verdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb herzustellen, bein-

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haltet die Bildung der Gateelektroden aus zwei Sektionen, wobei die über den Speichersenken liegenden Sektionen als erste auf einem p-Siliziumsubstrat mit n-dotiertem verdecktem Kanal ausgebildet werden. Der verdeckte η-Kanal hat eine Konzentration, wie sie für die Speichersenken gewünscht wird. Die über den Speichersenken liegenden Sektionen der Gateelektroden werden als Ionenimplantationsmaske genutzt, und ein p-Dotierstoff, wie Bor, wird in den Teilen des verdeckten η-Kanals, die unter den Zwischenräumen zwischen den zuerst ausgebildeten Sektionen der Gateelektroden liegen, implantiert. Die Implantation erfolgt dabei mit einer Konzentration, die den n-Dotierstoff in der Region des verdeckten Kanals teilweise kompensiert, so daß die Transfersenken entstehen. Die zweiten Sektionen der Gateelektroden werden dann über den Transfersenken ausgebildet.

Obwohl eine solche Methode zur Herstellung von Anordnungen mit verdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb allgemein üblich ist, so kann doch nicht übersehen werden, daß die Schwierigkeit der teilweisen Kompensation der Dotierung die Reproduzierbarkeit bei einer Serienherstellung begrenzt. So würde z.B. eine vollständige Vernichtung von n-Kanalregionen durch den p-Dotierstoff den verdeckten Kanal zerstören. Weiterhin vergrößert die Verwendung eines Kompensationsdotierstoffes den Betrag aller n- und p-Dotierstoffe in den Transfersenken und damit die physikalischen Defekte des Substrats, so daß eine vergrößerte Anzahl von Fangstellen oder -zentren und Rekombinationszentren geschaffen wird. Diese wiederum beeinträchtigen die Kennwerte für den Ladungstransfer sowie den sogenannten Dunkelstrom der Anordnung, begleitet von einer Verringerung der Arbeitsgeschwindigkeit und der Speicherzeiten.

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Wenn der verdeckte η-Kanal durch Verwendung einer dünnen n-Epitaxialschicht - Stärke etwa 2000 bis 6000 Angström - auf der Oberfläche eines p-Siliziumsubstrats gebildet wird, dann sind die kristallografischen Eigenschaften einer solchen Epitaxialschicht nicht so gut, wie die des Substrats, so daß die Geschwindigkeit ab- und der Dunkelstrom zunimmt. Weiterhin kann eine Diffusion von Fremdstoffen im Substrat in die Epitaxialschicht die Effektivität der Anordnung verringern.

Wird dagegen der verdeckte Kanal durch eine n-Ionenimplantation vor Ausbildung der ersten Sektionen der Gateelektroden gebildet, dann wird die Kontrolle einer p-Implantation zur geeigneten Teilkompensation des n-Dotierstoffes in den Transfersenken äußerst schwierig, denn es ist wünschenswert, daß der p-Dotierstoff annähernd das gleiche Verteilungsprofil in der Tiefe aufweist wie der n-Dotierstoff und daß die teilweise kompensierten Dotierprofile leicht voraussehbar und unempfindlich gegenüber Schwankungen der Herstellungsbedingungen sind. Da jedoch verschiedene Dotierstoffe verwendet werden, davon jeder mit anderen Anforderungen an das Implantationsniveau und mit unterschiedlichen Implantatverteilungen, und da solche verschiedenen Dotierstoffe während der anschließenden Erwärmungszyklen, wie Wärmebehandlung und Oxidation, unterschiedlich diffundieren, ist eine ausreichende Teilkompensation über die gesamte Breite des verdeckten Kanals nicht erreichbar. Schließlich ergeben sich Komplikationen, weil der n-Dotierstoff und der p-Dotierstoff sich während der Diffusion ungünstig gegenseitig beeinflussen und zusätzlich unterschiedliche Aktivitätsgrade nach den anschließenden Erwärmungszyklen aufweisen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Herstellungs-

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verfahren für solche und ähnliche Halbleiterbauelemente zu schaffen, das einfacher und sicherer zu beherrschen ist und Bauelemente mit relativ hoher Arbeitsgeschwindig keit ermöglicht. Ein solches Verfahren ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch

a) Ausbildung einer dotierten Schicht mit einer vorgegegebenen Dotierkonzentration unter der Oberfläche eines Halbleitersubstrats,

b) Ausbildung einer Vielzahl von mit vorgegebenem Abstand zueinander liegenden Elektroden an der Oberfläche oberhalb der dotierten Schicht und

c) Einbringen von denselben Leitfähigkeitstyp wie bei der dotierten Schicht erzeugenden Teilchen in die zwischen den Elektroden liegenden Bereiche der dotierten Schicht zur Erhöhung der Dotierkonzentration in den zwischen den Elektroden liegenden Bereichen.

Bei einem derartigen Verfahren wird für die Ausbildung der Speicher- und Transfersenken des verdeckten Kanals lediglich eine Dotiersorte verwendet und dadurch die erforderliche Fertigungskontrolle bei der Ausbildung der verdeckten Schicht erleichtert. Weiterhin wird für den verdeckten Kanal weniger Dotierstoff im Vergleich zu den Techniken mit Kompensation des zuerst eingebrachten Dotierstoffes benötigt, da bei dem neuen Verfahren eine Schicht mittels relativ niedriger Dotie rkonzentration für die Transfersenken in den Regionen für die Speichersenken verstärkt wird, während beimKompensatiohsverfahren eine Schicht mit relativ hoher Dotierung für die Speichersenken in den Regionen für die Transfersenken zusätzlich mit einem Dotierstoff von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp dotiert wird. Die Verringerung des eingebrachten Dotierstoffes verringert mögliche physikalische Defekte in der Oberflächenregion des Substrats

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und damit mögliche Fangstellen oder -Zentren, mit der Folge einer Vergrößerung der Geschwindigkeit und einer Herabsetzung des Dunkelstroms.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch Einbringen der Teilchen mittels Ionenimplantation. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Ausbildung der dotierten Schicht unter der Oberfläche des Halbleitersubstrats durch Einbringen von eine:n zum Leitfähigkeitstyp des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erzeugenden Teilchen ebenfalls mittels Ionenimplantation erfolgt. Dabei kann durch Änderung der Stärke und des Verhältnisses der Implantatdosierungen die Tiefe der Speicher- und Transfersenken für eine vorgegebene Gatespannung leicht geregelt werden, um spezifische Betriebseigenschaften zu erzielen, da die relative Implantatverteilung und die Diffusionsprofile im wesentlichen unverändert bleiben.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 bis vertikale Querschnittsansichten eines Tei-FIG 7 les eines ladungsgekoppelten Bauelementes gemäß der Erfindung während verschiedener Herstellungsphasen in stark verzerrter und vereinfachter Darstellung, 0

FIG 8 eine Draufsicht dazu, wobei FIG 7 die

Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 bildet,

FIG 9A Querschnittsansichten entlang der Linie und 9A-9A und 9B-9B in FIG 8, FIG 9B

FIG 1OA,1OB vertikale Querschnittsansichten während 11A, 11B, 12A,weiterer Herstellungsphasen, 12B

FIG 13 eine weitere Draufsicht und

FIG 14 schematische Kurven zur Darstellung der

Dotierungskonzentrationsprofile der überdeckten Schicht in logarithmischem Maßstab als Funktion des Abstandes von der Oberfläche des Siliziumsubstrats. 20

Mit Bezug auf FIG 1 bis FIG 13 sei nun die Herstellung eines ladungsgekoppelten Bauelementes mit überdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb nach der Erfindung " beschrieben. Ein Halbleitersubstrat 10, im vorliegenden Falle p-Silizium mit einem spezifischen Wider-

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stand in der Größenordnung von 10 bis 40 cm weist eine /aus¹Siliziumdioxid. . auf, die auf der oberen Oberfläche gebildet ist," Wie FIG 1 zeigt. Diese Schicht 12 wird durch an sich bekannte thermische Oxidation gebildet, wobei die Dicke dieser Schicht 12 etwa 7500 Angström beträgt. An ausgewählten Stellen der Siliziumdioxidschicht 12 werden Fenster 13, wie gezeigt, ausgebildet, um die Bildung einer Schutzbandregion rings um die ladungsgekoppelten Elemente zu ermöglichen. Diese Fenster 13 werden mittels eines herkömmlichen fotolithografischchemisch arbeitenden Arbeitsprozesses erzeugt. Ein p-Dotierstoff, hier Bor, wird dann in herkömmlicher Weise implantiert, einer Wärmebehandlung unterworfen und schließlich in die Teile des Halbleitersubstrats 10 diffundiert, die durch die geätzten Fenster 13 vorgegeben sind, um so die Schutzbandregionen 14, wie in FIG 2 gezeigt, zu bilden. Hierzu sei erwähnt, daß sich während des Diffusionsprozesses in den ursprünglich geätzten Fenstern 13 wieder eine Siliziumdioxid- schicht bildet. Deren Dicke beträgt etwa 5000 Angström. Weiterhin erreicht die durch die Diffusion gebildete Isolationsregion 14 von der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 aus eine Tiefe von 2 bis 3/um. --___'

Der überwiegende Teil der Siliziumdioxidschicht 12 innerhalb der Schutzbandregionen 14 wird anschließend mittels herkömmlicher fotolithografischer-chemischer Ätztechniken entfernt und dadurch die darunter liegende Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 wieder ' freigelegt. Hiernach wird eine Gateoxidschicht 16, im vorliegenden Falle eine Siliziumdioxidschicht, auf dem freigelegten Teil des Halbleitersubstrats 10 in herkömmlicher Weise thermisch aufgebaut, wie FIG zeigt. Die Stärke dieser Gateoxidschicht 16 aus SiIiziumdioxid beträgt etwa 1200 bis 1500 Angström.

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Die obere Oberfläche der Anordnung wird dann einem geeigneter n-Dotierstoff, im vorliegenden Falle Phosphor, bei Verwendung einer herkömmlichen Ionenimplantationseinrichtung ausgesetzt, um eine gleichmäßige verdeckte Schicht 17 für die ladungsgekoppelten Elemente auszubilden, wie FIG 3 zeigt. Die Phosphorimplantation erfolgt dabei mit einer Spitzenkonzentration N (X^), in einer Tiefe X*, im vorliegenden Falle etwa 0,2 bis 0,25/um von der oberen Oberfläche. Die Implantationsdosierung beträgt 5 · 10 Atome/cm . Diese Implantation wird durch Verwendung eines Implantationsenergieniveaus von etwa 300 KeV erreicht. Die Spitzen-

16 ^5 konzentration N (X₁) beträgt etwa 4-10 Atome/cm .

Dazu sei angemerkt, daß die Dosierungskonzentration N (X) um die Tiefe X^ symmetrisch abfällt und bei einem Abstand von etwa 750 Angström zu beiden Seiten der Tiefe X-. einen Wert vom 0,6fachen der Spitzenkonzentration N (X^) erreicht. Dadurch entsteht eine η-Schicht von einer angenommenen Stärke Δ , die etwa 0,15/Um beträgt. Weiterhin sei angemerkt, daß die die Schutzbandregionen 14 überdeckende dickere Oxidschicht 12 die darunter liegenden Teile des Halbleitersubstrats 10 gegenüber dem Phosphorimplantat abschirmt.

Übergehend zu FIG 4 wird in einem weiteren Arbeitsgang eine polykristalline Siliziumschicht 18 mit herkömmlichen Techniken auf die Siliziumdioxidschichten 12 und 16, wie gezeigt, aufgebracht, beispielsweise durch chemisches Aufdampfen. Die Stärke dieser polykristallinen Siliziumschicht 18 liegt etwa bei 5000 Angström. Anschließend wird diese Schicht 18 mit einem geeigneten Dotierstoff dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit zu vergrößern. Dazu wird Phosphor in die polykristalline Siliziumschicht bei Verwendung herköjnmlicher Techniken diffundiert, um eine verhältnis-

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-.ermäßig hohe Dotierungskonzentration zu erhalten, etwa in

1Q PO ~*s der Größenordnung von 10 ⁷ bis 10 Atome/cnr. Die Diffusion erfolgt bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, etwa bei 9"00⁰C und für eine verhältnismäßig kurze Zeit, etwa in der Größenordnung von 5 bis 15 Minuten, so daß sich das Profil der vorher verdeckten Schicht 17 aus Phosphor in seiner Stärke nicht wesentlich ändert.

Wie FIG 5 erkennen läßt, wird die dotierte polykristal- -. line Siliziumschicht 18 durch Verwendung fotolithografischer Plasmaätztechniken in Elektroden 20,, _ bis 20„ mit gleichmäßigen Abständen aufgegliedert- Auch hierzu sei angemerkt, daß der fotolithografische Plasmaätzprozess ein Niedrigtemperaturprozess ist und sich daher während dieses Prozesses die Stärke und die Dotierungsverteilung des implantierten Phosphors in der verdeckten Schicht 17 nicht ändert. Man wird später erkennen, daß jede dieser Elektroden 20^ bis 20 über einer Transfersenke der ladungsgekoppelten Elemente angeordnet ist. Diese Elektroden 20^ bis 20_ft können daher als Transfergates oder als Transfergateelektroden angesehen werden. Die Oberfläche der Anordnung wird dann demselben Dotierstoff, also Phosphor, bei Verwendung derselben Implantationsbedingungen wie beim Herstellen der verdeckten Schicht 17 ausgesetzt. Es wird

11 2 also dieselbe Dosierung von 5 · 10 Atome/cm in derselben Tiefe X* von 0,2 bis 0,25/um unterhalb der oberen Oberfläche der Anordnung unter Verwendung desselben Implantationsenergieniveaus von 300 KeV implantiert, wie es bereits in Verbindung mit FIG 3 beschrieben worden ist.

Wie bereits erwähnt, fand während des chemischen Aufdampfprozesses zur Bildung der polykristallinen Siliziumschicht 18 (FIG 4), während des Diffusionsprozesses

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- "te -

zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht 18 und während des fotolithografischen Plasmaätzprozesses zur Bildung der Elektroden 2O₁ bis 20 aus der Schicht 18 keine wesentliche Diffusion von Phosphor in die Schicht 17 statt, da jeder dieser Prozesse bei relativ niedrigen Temperaturen und nur kurzen Erwärmungszeiten ablief. Im vorliegenden Falle bilden die Siliziumdioxidschicht 12 und die dotierten polykristallinen Siliziumelektroden 2O₁ bis 2O_n eine Ionenimpla±ationsmaske während der neuerlichen Phosphorimplantierung, die verhindert, daß der Dotierungsphosphor in Teile der verdeckten Schicht eindringt, die unter der Schicht 12 und den Elektroden 2O₁ bis 2O_n liegen, während dagegegen die Dotierungskonzentration des Phosphors in den Teilen der verdeckten Schicht 17, die in den Zwischenräumen zwischen den Elektroden 2O₁ bis 20 liegen, wie FIG 5 zeigt, erhöht wird. Folglich wird durch die neuerliche Implantation die n-Dotierstoffdosis aus Phosphor in den nicht abgedeckten Tei-

1 2 len der verdeckten Schicht 17 bis auf etwa 10 Atome/

p
cm bei der Tiefe X-, also 0,2 bis 0,25/um,angehoben,

'11 während die Dotierstoffdosis aus Phosphor von 5 · 10

Atome/cm in den maskierten Teilen der verdeckten Schicht 17 unverändert bleibt. Nach der herkömmlichen Wärmebehandlung entsteht ein np-Übergang an der Grenze zwischen der implantierten verdeckten Schicht 17 und dem Siliziumsubstrat 10, der durch die gestrichelte Linie 23 in FIG 5 angedeutet ist. Da die Dotierungskonzentration in den Regionen 21b, d.h. zwischen den Elektroden 2O₁ bis 2O_n, größer ist, weist dieser Teil des Überganges eine geringere Tiefe auf, als der den Regionen 21a, das ist unterhalb der Elektroden 2O₁ bis 20, entsprechende Teil des Überganges. Wie hiernach noch beschrieben werden wird, bilden die höher dotierten Regionen 21b der verdeckten Schicht die

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Speichersenken der ladungsgekoppelten Elemente und die

geringer dotierten Regionen 21a dieser Schicht 17 die

Transfersenken der Elemente. Die Dotierungsprofile der

Regionen 21a und 21b sind in FIG 14 gezeigt und als Kurven A und B bezeichnet. ■

FIG 6 zeigt eine -weitere Siliziumdioxidschicht 22, die mittels herkömmlicher thermischer Oxidation über den Elektroden 20^ bis 20 gebildet wird. Während dieses Oxidationsprozesses diffundiert der in die verdeckte Schicht 17 Implantierte Phosphor. Der anfänglich implantierte Phosphor und der danach implantierte Phosphor diffundieren zusammen und vergrößern so die Stärket der verdeckten Schicht 17»

Anschließend wird die gesamte Oberfläche der Anordnung, wie gezeigt, durch chemisches Aufdampfen in herkömmlicher Weise mit einer polikristallinen Siliziumschicht 24 abgedeckt. Die Stärke dieser Schicht 24 beträgt etwa 5000 Angström. Danach wird diese Schicht 24 mit einem geeigneten Dotierstöff, hier Phosphor, durch herkömmliche Diffusion bis zu einer Konzentration von 10 bis 10 .Atome/cm dotiert, um die elektrische Leitfähigkeit dieser polikristallinen Siliziumschicht 24 zu vergrößern. Die Gründe hierfür ergeben sich aus dem nachfolgenden. Erstens trennt die Siliziumdioxid schicht 22 die Elektroden 2O₁ bis 2O_n elektrisch von der dotierten polykristallinen Siliziumschicht Weiterhin ist aus FIG 6 ersichtlich, daß Teile der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 24 sich nach unten bis in die Teile der Siliziumdioxidschicht 16 auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstrecken, die zwischen den einander benachbarten Elektroden 20^ bis 2O_n liegen, d.h. in jene Teile

der Siliziumdioxidschicht 16 auf der oberen Oberfläche

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des Halbleitersubstrats 10, die oberhalb der stärker mit Phosphor dotierten Teile der verdeckten Schicht 17, also den Speichersenken der ladungsgekoppelten Elemente, liegen.
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Wie FIG 7 zeigt, wird die polikristalline Siliziumschicht 24 von FIG 6 durch herkömmliche fotolithografische Plasmaätzung in Elektroden 26., bis 26_n mit gleichmäßigen Abständen voneinander aufgegliedert.

Die Elektroden 2O₁ bis 2O_n und 26,, bis 26_n sind über den höher η-dotierten Teilen der verdeckten Schicht, das sind die Speichersenken, angeordnet. Diese Elektroden können daher als durchgehende Gateregion 28 der ladungsgekoppelten Elemente angesehen werden. Die Source oder Eingangsregion 30 und die Drain oder Ausgangsregion 32 werden, wie aus FIG 7 ersichtlich, durch Ionenimplantation von zusätzlichem Phosphor in die Regionen 30 und 32 gebildet, wobei die Siliziumdioxidschicht 12 und die Elektroden 2O₁ bis 20 und 26,, bis 26_n der durchgehenden Gateregion 28 als Ionenimplantationsmasken dienen. Die Dosierung des Phosphors in der Source- und

"1L. .

Drain-Region 30 und 32 liegt bei etwa 5 · 10 Atome/ cm und das Implantationsenergieniveau etwa bei 200 KeV. Nach der herkömmlichen Wärmebehandlung hat sich eine Siliziumdioxidschicht 27 durch thermische Oxidation gebildet, die die Elektroden 2S₁ bis 26_n abdeckt. Während dieses Oxidationsprozesses werden Temperaturen im Bereich von 1000⁰C über eine Dauer von etwa zwei Stunden benutzt. Dadurch weitet sich die Stärke der verdeckten Schicht 17 weiter aus und wächst bis auf etwa 0,6/um unter den Speichergates, d.h. in den Regionen 21b (FIG 6), und bis auf etwa 0,3/um unter den Transfergates, d.h. in den Regionen 21a (FIG 5), an, wie die entsprechenden Kurven B¹ und A' in FIG 14 zeigen.

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■■-/?

Wie in FIG 7 schematisch angedeutet ist, ist jede Transfergateelektrode 2O₁ bis 2O_n elektrisch mit der rechts davon liegenden Speichergatelß ktrode 26,. bis 26„ gekoppelt. Die Transfergateelektrode 2O₁ ist also elektrisch mit der Speichergateelektrode 26,, verbunden, die Transfergateelektrode 20p mit der Speichergateelektrode 26p usw..Weiterhin sind die Transfergateelektroden 2O₁, 2O₇,, 20,- usw. und entsprechend die Speichergateelektroden 26^, 26,^ 26,-usw. elektrisch an eine gemeinsame Taktsignalleitung ; 0,. angeschlossen und ebenso die Transferelektroden 20p, 20- bis 20 sowie die Speichergateelektroden 20p, 20^ bis 2O_n an die Taktsignalleitung 0₂. Die Taktsignalleitungen 0^ und 0₂ sind während des Betriebes der ladungsgekoppelten Bauelemente mit phasenverschobenen Signalen beaufschlagt.

FIG 8 zeigt die obere Oberfläche der Anordnung-nach FIG 7 in Drafsicht. Wie bereits erwähnt, ergibt die Gliederung sowohl der Transfergateelektroden 2O₁ bis 20 als auch der Speichergateelektroden 26,, bis 26 jeweils zwei elektrisch untereinander verbundene Elektroden. So sind die Transfergateelektroden 2O₁, 20^, 20c usw. elektrisch untereinander durch einen Teil der dotierten polykristallinen Siliziumschicht (FIG 4)7 die nun'mit der Siliziumdioxidschicht 22 (FIG 7) überdeckt ist und die Anschlußleitung 34 bildet, die jedoch in FIG 5 aus Gründen der Vereinfachung nicht gezeigt ist. In gleicher Weise sind die Transfergateelektroden 2O₂, 20^ bis 2O_n elektrisch durch einen Teil der dotierten polykristallinen Siliziumschicht (FIG 5) miteinander verbunden, die nun von der Siliziumdioxidschicht 22 (FIG 7) überdeckt ist und die Anschlußleitiing 36 bildet«, In gleicher Weise sind die Speichergateelektroden-" 26^ , 26^₅, 26_[C usw. -durch einen. Teil

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der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 24 (FIG 6) untereinander verbunden, die jetzt mit der Siliziumdioxidschicht 27 (FIG 7) überdeckt ist und die Anschlußleitung 38 bildet. Schließlich sind die Speichergateelektroden 26₂, 26^ bis 26_n durch einen Teil der dotierten polykristallinen Siliziumschicht 24 (FIG 6) elektrisch untereinander verbunden, die nun mit der Siliziumdioxidschicht 27 (FIG 7) überdeckt ist und die Anschlußleitung 40 bildet. Die aus polykristallinem Silizium gebildeten Anschlüsse 34 und 36 werden durch Verwendung herkömmlicher fotolithografisch-chemische Ätzprozesse während der Ausbildung der Elektroden 20-, bis 20 und die Anschlüsse 38 und 40 in gleicher Weise während der Ausbildung der Speichergateelektroden 26,, bis 26 gebildet. Die Anschlüsse 34 und 38 sind in an sich bekannter aber nicht gezeigter Weise elektrisch an eine Taktsignalquelle 0^ und die Anschlüsse 36 und 40 mit einer ' Quelle für phasenverschobene.Taktsignale 0p während des Betriebs der ladungsgekoppelten Bauelemente mit verdecktem Kanal und Zweiphasenbetrieb verbunden. Diese Verbindungen können entweder auf der Siliziumscheibe bzw. Wafer oder aber außerhalb davon hergestellt werden.

Anhand der nachfolgenden Figuren sei nun die Ausbildung des Metallisierungssystems für die ladungsgekoppelten Bauelemente beschrieben.

Als erstes werden mit Bezug auf FIG 9A und FIG 9B die Kontaktfenster oder Wege 42 und 44 für die Source- und Drainregionen 30 bzw.32 sowie für die Anschlüsse 34 und 38 in ausgewählten Teilen der Siliziumdioxidschichten 16, 22 und 24 mittels herkömmlicher fotolithografisch-chemischer Ätzprozesse ausgebildet. Dazu sei angemerkt, daß ebenso ein Kontaktweg durch die über

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dem Anschluß 36 (FIG 8) liegende Siliziumdioxidschicht 22 und durch die über dem Anschluß 40 (FIG 8) liegende Siliziumdioxidschicht 27 ^gebildet wird.

Wie die nachfolgenden FIG 1ΌΑ und 1OB erkennen lassen, wird auf die gesamte Oberfläche der bisherigen Anordnung einschließlich der Kontaktwege 42 und 44 eine polykristalline Siliziumschicht 48 aufgebracht, so daß auch die freiliegenden Öberflächenteile der Source- und Drainregionen 30 und 42 und die freiliegenden Teile der die Anschlüsse 36 und 38 (FIG 9A und FIG 9B) sowie 34 und 40 (FIG 8) bildenden polykristallinen Siliziumschichten überdeckt werden. Diese neue polykristalline Siliziumschicht 48 wird durch herkömmliches chemisches Aufdampfen hergestellt. Sie hat eine Stärke von 1500 bis 2000Angström. Das Aufdampfen erfolgt in einem geeigneten Ofen bei einer Temperatur von etwa 700⁰G in der Aufdampfzone durch ein die obere Oberfläche der Anordnung überstreichendes Gasgemisch aus V/o Siliziumwasserstoff (SiH^) und 99 % Stickstoff ( N₂). Unter dem Einfluß dieser hohen Temperatur zerfällt der Siliziumwasserstoff und Silizium schlägt sich auf der oberen Oberfläche der Anordnung nieder. Die polykristalline Siliziumschicht 48 wird dann mit Phosphor in einem her-¹ kömmlichen Diffusionsprozess bei Temperaturen von 920⁰C bis 950°C hoch dotiert,um die elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht zu erhöhen, so daß ein spezifischer Widerstand von etwa 20 bis 50 Ohm/cm erreicht wird. Die hochdotierte polykristalline Siliziumschicht 48· ist so in 0hm'sehen Kontakt mit den Source- und Drainregionen 30 und 32 und elektrisch mit den dotierten polykristallinen Siliziumschichten 18 und 24 der Anschlüsse 34 und 38 (FIG 9A und 9B) verbunden. Die Ver-' wendung eines chemischen Aufdampfprozesses liefert eine dotierte polykristalline Siliziumschicht 48 mit guter

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durchgehender und im wesentlichen gleichmäßiger Stärke, die als solche die ungleichmäßige, nicht ebene obere Oberfläche der Anordnung überzieht.

Über die dotierte polykristalline Siliziumschicht 48 v/ird in einem herkömmlichen Prozess eine Aluminiumschicht 50 aufgedampft., wie FIG 10A und FIG 10B zeigen. Die Stärke dieser Aluminiumschicht 50 beträgt etwa 2000 bis 10000 Angström. Anschließend wird die Oberfläche der Anordnung mit einem geeigneten Fotoresist 52 überzogen und mit einem Muster zur Ausbildung einer Maske 54 versehen. Die maskierten Teile der Aluminiumschicht 50 werden dann mit einem geeigneten chemischen Ätzmittel in Berührung gebracht, ζ 3. 80 ml H, PO^, 10 ml H₃O, 5 ml CH,COOH und 5 ml HNO, bei einer Temperatur von 40 C, um die freiliegenden Teile der Aluminiumschicht 50 wegzuätzen, ohne daß die darunterliegende dotierte polykristalline Siliziumschicht 48 beeinträchtigt wird. Auf diese Weise entsteht ein Muster aus Aluminiumleitern, wie FIG 11A und 11B für die Sourceregion 30, die Drainregion 32 und die Anschlüsse 34, 36, 38 und 40 (FIG 8) zeigen.

Wie die nachfolgenden FIG 12A und 12B zeigen, bildet die unterteilte Aluminiumschicht 50 eine widerstandsfeste Plasmaätzmaske, um die freigelegten Teile der polykristallinen Siliziumschicht 48 zu entfernen. Die übrige Fotoresistschicht 52 wird dann ebenfalls durch geeignete Plasmaätzmaßnahmen entfernt und dadurch die Ausbildung der Leiter für Sourceregion 30, die Drainregion 32 und die Anschlüsse 34, 36, 38 und 40 abgeschlossen, wie FIG 13 zeigt.

Ausgehend von der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Reihe weiterer Ausführungs-

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formen möglich, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung dabei verlassen wird. Die Erfindung ist daher nicht auf die "beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern sie ergibt sich allein aus dem Umfang der beigefügten Patentansprüche.

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ORIGINAL INSPECTED

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Claims

Patentansprüche

Verfahren· zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) mit verdecktem Kanal, gekennzeichnet durch

a) Ausbildung einer dotierten Schicht (17) mit einer vorgegebenen Dotierkonzentration unter der Oberfläche

• eines Halbleitersubstrats (10),

b) Ausbildung einer Vielzahl von mit vorgegebenem Abstand zueinander liegenden Elektroden (20) an der Oberfläche oberhalb der dotierten Schicht (17),

c) Einbringen von denselben Leitfähigkeitstyp (z.B. n) wie bei der dotierten Schicht (17) erzeugenden Teilchen in die zwischen den Elektroden (20) liegenden Bereiche (21b) der dotierten Schicht (17) zur Erhöhung der Dotierkonzentration in den zwischen den Elektroden (20) liegenden Bereichen (21b).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeich-η e t durch Einbringen der Teilchen mittels Ionenimplantation .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausbildung der dotierten Schicht (17) unter der Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) durch Einbringen von einen zum Leitfähigkeitstyp (z.B. p) des Substrats (10) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (z.B. n) erzeugenden Teilchen ebenfalls mittels Ionenimplantation erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß bei beiden lonenimplantationsstufen die Ionenimplantation mit Spitzenkonzentrationen in der im wesentlichen/Tiefe (X₁) unter der

Oberfläche des Substrats (10) erfolgt.

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5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3 bzw. 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Implantationsstufen Teilchen desselben Typs implantiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Ausbildung einer zweiten Vielzahl von Elektroden (26) an der Oberfläche über den höher dotierten Bereichen (21b) der dotierten Schicht (17).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Ausbildung der Elektroden (20, 26) durch chemisches Aufdampfen einer Halbleiterschicht (18, 24) und Dotierung dieser Schicht zur Erzeugung einer elektrischen Leitfähigkeit.

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