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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Metalloxid-Halbleitereinrichtung (Halbleitereinrichtung
vom MOS-Typ) und ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft die Erfindung
eine Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ und ein Herstellungsverfahren dafür, bei
der die Sperrschichtkapazität zwischen einem aktiven Bereich und einem Substrat
reduziert werden kann.
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Bei der Herstellung von einer integrierten Halbleiterschaltung vom
MOS-Typ sind die Bildung eines Feld-Oxid-Films durch einen selektiven Oxidationsprozess,
Bildung eines Source-Bereichs, eines Drain-Bereichs und eines Gate-Bereichs unter
Verwendung einer Selbstjustier-Nethode mit polykristallinem Silizium und ähnliches
wohlbekannt und haben breite Verwendung gefunden.
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Eine nach solch einer konventionellen Technik hergestellte Struktur
eines n-Kanal-MOS-Transistors (n-MOST) ist als Querschnitt in Fig. 1 gezeigt. Unter
Bezug auf Fig. 1 soll im folgenden das Herstellungsverfahren und die Struktur der
oben beschriebenen Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ kurz beschrieben werden. Zuerst
wird ein Feld-Oxid-Film 2 mit einem wohlbekannten selektiven Oxidationsprozess auf
einem Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ mit hohem spezifischem Widerstand, beispielsweise
10 - 30 acm, gebildet. Auf einem Kanalbereich 4 wird ein Cate-Oxid-Film 3 gebildet.
Dann wird, um die Schwellspannung eines n-MOST zu steuern, Bor (B) in den Kanalbereich
4 ionen-implantiert. Danach wird eine Schicht 5 Polysilizium auf der Kanalregion
4 gebildet, die als Gate dienen soll.
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Phosphor (P) oder Arsen (As) wird in zwei Bereiche ionen-implantiert.
Zwischen diese werden Gate-Regionen eingefügt, so daß ein Quellenbereich 6 vom n-Typ
und ein Drain-Bereich 7
gebildet werden. Danach wird eine schützende
Oberflächenschicht 8 auf solch einer Struktur niedergeschlagen, und dann wird der
schützende Oberflächenfilm 8, wo notwendig, geöffnet. Schließlich wird noch eine
Gate-Verbindung 9, Source-Verbindung 10 und eine Drain-Verbindung 11 auf ihren jeweiligen
Bereichen vorgesehen mittels einer wohlbekannten Technik, womit ein konventionelles
n-MOST vollständig ist.
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Jedoch hat solch eine konventionelle Einrichtung einige Nachteile.
Einer dieser Nachteile ist, daß eine elektrische Kapazität, das heißt, eine parasitäre
Sperrschichtkapazität in einer p-n-Sperrschicht, die notwendigerweise zwischen dem
Substrat 1 und dem Source-Bereich 6 und dem Drain-Bereich 7 gebildet ist, geschaffen
wird, und infolgedessen die Schaltgeschwindigkeit des Metalloxid-Halbleitertransistors
herabgesetzt wird. Außerdem bewirkt eine solche Sperrschicht die Bildung eines parasitären
Transistors, und deshalb wird ein Verfahren zur entsprechenden Steuerung kompliziert.
Der zweite Nachteil ist eine Erniedrigung einer Durchschlagsspannung zwischen einem
Source-Bereich und einem Drain-Bereich. Immer wenn eine Gegenspannung an eine Drain-Sperrschicht
13 angelegt wird, dehnt sich eine von dem Drain-Bereich verursachte Verarmungsschicht
merklich aus, insbesondere in den unteren Teil des nicht-Kanal-dotierten Substrats
1, das heißt, in einen Bereich mit niedriger Verunreinigungs-Konzentration.
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Die Durchschlagsspannung des Drain-Bereichs ist bestimmt als die Spannung
zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich, wenn die Begrenzungen der Verarmungsschicht
den Source-Bereich erreichen. Heutzutage ist es jedoch durch den Fortschritt bei
der Fein-Verarbeitungstechnik möglich, die Gate-Länge, das heißt, die Breite der
Polysiliziumschicht 5 zu reduzieren, und infolgedessen werden die Breiten des Source-Bereichs
6 und des Drain-Bereichs 7, die durch ein Selbstjustierverfahren gebildet wurden,
kleiner. Aus diesem Grund
wird die Source-Drain-Spannung, die notwendig
ist, damit die Begrenzungen der Verarmungsschicht den Source-Bereich erreichen,
klein, und infolgedessen wird die Durchschlagsspannung zwischen dem Source- und
Drain-Bereich notwendigerweise reduziert. Obwohl das Steigern der in das Substrat
1 zu implantierenden Verunreinigungs-Konzentration eine von einfachen und effektiven
Lösungsmöglichkeiten zum Beheben eines solchen Phänomens ist, ist eine solche Steigerung
der Konzentration nicht erwünscht. Der Grund dafür ist, daß solch eine Steigerung
manchmal andere elektrische Eigenschaften eines solchen n-MOST negativ beeinflußt.
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Die Silizium-auf-.Saphir-Technik (SOS), Silizium-auf-Isolator-Technik
(SOI) und ähnliches wurden als Technik vorgeschlagen, um die oben beschriebenen
Nachteile'infolge solch einer konventionellen Struktur eines n-MOST im wesentlichen
zu überwinden. Es ist jedoch schwierig, ein solches SOS-Verfahren praktisch und
in großem Umfang zu benutzen, da Saphir als Substrat teuer ist und die technische
Schwierigkeit beim epitaktischen Ziehen einer Siliziumschicht auf einem Saphirsubstrat
bewirkt, daß eine epitaktisch gezogene Schicht keine guten kristallinen Eigenschaften
hat. Andererseits, bei dem SOI-Verfahren, werden ein Silizium-Oxid-Film, ein Silizium-Nitrit-Film,
ein Quarzplättchen und ähnliches als isolierendes Substrat benutzt und, wie gut
bekannt ist, ein amorphes oder polykristallines Silizium wird darauf deponiert.
Solches Silizium wird in den Ein-Kristall-Zustand gebracht, in dem es einem Laserstrahl
ausgesetzt wird oder durch Erwärmen mit einer Wärmequelle oder durch irgendeine
andere Einrichtung, die als aktive Region der Einrichtung benutzt werden kann.
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Jedoch hat gegenwärtig eine Ein-Kristall-Technik an sich viele noch
zu lösende technische Probleme, und es ist deshalb schwierig, einen perfekten Ein-Kristall
von großer Fläche zu erhalten. Außerdem ist es unmöglich, die Richtung einer Kri-
stallachse
eines zu bildenden Signalkristalls zu steuern. Aus diesem Grund wurde das SOI-Verfahren
in der Praxis nicht angewandt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ
zu schaffen mit einer kleinen Sperrschicht-Kapazität zwischen einem aktiven Bereich
und einem Substrat.
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Außerdem soll eine Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ mit einer hohen
Durchschlagsspannung zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich geschaffen
werden.
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Weiter soll eine Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ geschaffen werden,
bei der die Erzeugung eines parasitären Transistors einen vernachlässigbaren Effekt
hat.
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Weiter soll ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitereinrichtung
vom MOS-Typ geschaffen werden, das eine sehr effiziente Halbleitereinrichtung vom
MOS-Typ liefert, die die oben beschriebenen Aufgaben erfüllt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ
mit einem isolierenden Film in wenigstens einer der Grenzflächen zwischen Source-
und Drain-Regionen und einem Substrat. Der isolierende Film wird auf dem Substrat
im voraus aufgebracht, und der Source-Bereich und Drain-Bereich werden darauf gebildet.
Der isolierende Film ist nicht in Sperrschicht-Flächen zwischen dem Source-Bereich
und dem Drain-Bereich und einem Kanalbereich vorhanden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird der isolierende Film kontinuierlich mit einem anderen isolierenden Film verbunden,
der das Äußere des Source-Bereichs und des Drain-Bereichs umgibt, und der Source-Bereich
und der Drain-Bereich weist einen polykristallinen Halbleiter auf. Die Einrichtung
weist weiter
einen Gate-isolierenden Film auf dem Kanalbereich
und eine Gate-Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den Kanalbereich
durch den Gate-isolierenden Film auf. Eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode
sind auf dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich jeweils angeordnet.
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Ein Vorteil der Halbleitereinrichtung vom MOS-Typ nach der vorliegenden
Erfindung ist, daß eine Sperrschicht-Kapazität zwischen einem aktiven Bereich und
einem Substrat klein ist.
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Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Durchschlagsspannung
zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich hoch ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Effekt
auf die Bildung eines parasitären Transistors vernachlässigbar ist.
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Der Vorteil eines Herstellungsverfahrens für eine Halbleitereinrichtung
vom MOS-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß eine Halbleitereinrichtung
vom MOS-Typ mit hohem Wirkungsgrad mit den oben beschriebenen Vorteilen erhalten
werden kann.
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Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren. Von
den Figuren zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines konventionellen n-MOST; Fig.
2A - 2E Prozesse, die ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines MOST zeigen,
der eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wobei Querschnitte
des MOST bei den Hauptherstellungsschritten gezeigt sind;
Fig.
3 einen Aufriß eines gemäß dem in Fig. 2A - 2E gezeigten Verfahren hergestellten
MOST; Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV des in Fig. 3 gezeigten MOST;
und Fig. 5 einen Querschnitt eines MOST gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2A - 2E zeigen die Schritte eines Beispiels für ein Herstellungsverfahren
für ein MOST gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die
Querschnittsstrukturen der Hauptschritte bei solch einem Herstellungsverfahren gezeigt
sind. Die folgende Beschreibung betreffend solch ein MOST-Herstellungsverfahren
stellt die Struktur des MOST unter Bezugnahme auf die Fig. 2A - 2E klar. Obwohl
der in Fig. 2A -2E gezeigte MOST ein n-MOST ist, ist es selbstverständlich, daß
ebenso ein MOST-Transistor vom p-Typ (p-MOST) gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten
werden kann ohne wesentliche Änderungen gegenüber der folgenden Beschreibung.
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Beim Prozess für solch ein MOST nach Fig. 2A - 2E wird zuerst ein
Silizium-Substrat 21 vom p-Typ geschaffen. Ein Silizium-Oxid-Film wird auf einer
Hauptfläche #des Substrats 21 durch einen thermischen Oxidationsprozess gebildet,
und dann wird der Silizium-Oxid-Film mittels Photolithographie entfernt, wobei Bereiche
22 übrigbleiben, die jeweils ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich sein sollen
(F#ig. 2A). Dann wird das Substrat einer Wasserstoff-Atmosphäre in einem Reaktionsgefäß
ausgesetzt, das auf eine hohe Temperatur wie 950 - 12000C erwärmt wird. Ein Silizium-Source-Material
wie Monosilan (SiH4) und Dichlorsilan (SiH2Cl2) wird in das Reaktionsgefäß zusammen
mit einem Verunreinigungsgas vom p-Typ wie Diboran (B2H6) eingebracht. Als Ergebnis
der thermischen Zerlegung eines sol-
chen Gases und der Wasserstoffreduktions-Reaktion
wird auf dem exponierten Bereich des Siliziumsubstrats 21 (Fig. 2B) eine Silizium-Ein-Kristallschicht
23 vom p-Typ mit der kristallographischen Orientierung des Siliziumsubstrats gebildet.
Da der thermische Oxidationsfilm 22 in dem Bereich gebildet ist, der Source und
Drain werden soll, wachsen in diesen Bereichen ehen polykristalline Schichten 24
und 25 als eine Silizium-Ein-Kristallschicht. Diese Polykristallin-Silizium-Schichten
24 und 25 sollen ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich später werden, und die
Dicke dieser Schichten ist beispielsweise ungefähr 0,5 gm. Danach wirdg wie in Fig.
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2C gezeigt, die Silizium-Ein-Kristallschicht 23 vom p-Typ außer dem
Bereich, der Kanalregion werden soll, mittels eines selektiven Oxidationprozesses
oxidiert, woraus ein Feld-Oxid-Film 26, der das Äußere der Polykristallin-Silizium-Schichten
24 und 25 umgibt, resultiert. Ein solcher selektiver Oxidationsprozess ist notwendigerweise
so gemacht,daß der Feld-Oxid-Film 26 kontinuierlich mit den schon gebildeten darunterliegenden
Oxid-Filmen 24 und 25 verbunden ist. Die nachfolgenden Schritte sind die gleichen
wie bei einem Metall-Oxid-Halbleitertransistor vom konventionellen Polysilizium-Gate-Typ,
das heißt, ein Gate-Oxid-Film 27 wird auf einem Kanal gebildet, und zusätzlich wird
eine Polysilizium-Gate-Schicht 28 auf dem Gate-Oxid-Film 27 über dem Gate-Bereich
(Fig. 2D) gebildet. Arsen wird in die polykristallinen Siliziumschichten 24 und
25 mittels eines Selbstjustierverfahrens implantiert, bei dem der Feld-Oxid-Film
26 und die Polysilizium-Gate-Schichten 28 als Maske benutzt werden, so daß der Source-Bereich
24 und der Drain-Bereich 25, die den darunterliegenden Oxid-Film 22 erreichen, jeweils
vollständig sind. Gleichzeitig ist es erwünscht, daß die Breite der Polysilizium-Gate-Schicht
28 auf einen geeigneten Wert vorbestimmt wird, so daß der p-n-Übergang 29 in der
Ein-Kristall-Silizium-Schicht 23 gebildet wird. Danach wird mittels einer wohlbekannten
Tech-
nik ein Oberflächenschutzfilm 31 auf der Oberfläche des Halbleiters
gebildet, und dann werden in dem Oberflächenschutzfilm 31 notwendige Öffnungen vorgesehen
(Fig. 2E). Dann wird eine Gate-Verdrahtung 32, eine Source-Verdrahtung 33 und eine
Drain-Verdrahtung 34 mit der Polysilizium-Gate-Schicht 28, dem Source-Bereich 24
und dem Drain-Bereich 25 jeweils verbunden durch diese Öffnungen. Damit ist der
MOST vollständig. Der Aufriß eines so erhaltenen MOST ist in Fig. 3 gezeigt. Es
soll hier bemerkt werden, daß die Fig. 2E der Querschnittsdarstellung entlang der
Linie IIE-IIE der Fig. 3 entspricht. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang
der Linie IV-IV in Fig. 3, bei der die Existenz des zuunterst liegenden Oxid-Films
22 und die Verbindung des Films 22 mit dem Oxid-Film 26 deutlich gezeigt sind.
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Durch Vergleich des MOST nach der vorliegenden Erfindung mit dem in
Fig. 1 gezeigten MOST wird verständlich, daß der vorliegende MOST verschieden von
dem konventionellen MOST ist insofern, als der vorliegende MOST zuunterst den Oxid-Film
22 hat. Das Vorsehen eines zuunterst liegenden Oxid-Films bewirkt, daß die Ausdehnung
einer Verarmungsschicht von dem Drain-Bereich 25 gesteuert werden kann . Der zuunterst
liegende Oxid-Film 22 ist mit dem Oxid-Film 26 verbunden, und infolgedessen wird
die Ausdehnung der Verarmungsschicht immer mehr verhindert. Das bringt mit sich
eine große Abnahme einer parasitären Sperrschicht-Kapazität, wobei diese Abnahme
eine Verbesserung der Schalt-Charakteristik der Einrichtung bewirkt. Als Folge der
Steuerung der Ausdehnung der Verarmungsschicht nach unten des Substrats werden eine
Durchschlagsspannung zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich verbessert.
Ausserdem kann ein nachteiliger Effekt durch Bildung eines parasitären Transistors
vernachlässigt werden; dieser nachteilige Effekt ist konventionell eines der Hindernisse
bei der Herstellung einer integrierten MOST-Schaltung. Demzufolge können
die
konventionell benutzten Verfahren zum Steuern von parasitären Transistoren eliminiert
werden, und infolgedessen kann der Herstellungsprozess vereinfacht werden. Dadurch
wird ein weiterer Feinprozess beim Schaltungsmuster möglich.
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Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Metalloxid-Halbleitertransistors
gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der ersten
Ausführungsform nach Fig. 2A - 2E wird das Siliziumsubstrat vom p-Typ mit einem
relativ hohen spezifischen Widerstand benutzt, um eine erwünschte Charakteristik
zu erhalten. Wenn jedoch solch ein Substrat benutzt wird, können verschiedene Arten
von Problemen betreffend die Halbleitereinrichtung auftreten, da die Stabilität
eines elektrischen Potentials des Substrats nicht ausreichend ist. In der in Fig.
5 gezeigten Ausführungsform hat das Hauptteil 35 des Siliziumsubstrats einen relativ
niedrigen spezifischen Widerstand wie beispielsweise O,1A#cm, und nur der aktive
Bereich 36 der Einrichtung hat einen hohen spezifischen Widerstand. Solch eine Struktur
kann erreicht werdendurch Ionen-Implantation einer Verunreinigung vom n-Typ in die
Kanalregion, nachdem der zuunterst liegende Oxid-Film 22 gebildet ist. Gemäß der
Ausführungsform nach Fig. 5 hat der Kanalbereich einen hohen spezifischen Widerstand,
und deshalb wird die Charakteristik stabilisiert.