DE2500184C2

DE2500184C2 -

Info

Publication number: DE2500184C2
Application number: DE2500184A
Authority: DE
Inventors: Joseph Echirolles Fr Borel; Jacques Grenoble Fr Lacour; Gerard Sassenage Fr Merckel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-01-04
Filing date: 1975-01-03
Publication date: 1989-04-06
Also published as: DE2500184A1; JPS50118687A; FR2257145A1; US4019247A; FR2257145B1; JPS5921182B2; GB1469081A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 genannten Merkmalen. Ihr Anwendungs gebiet liegt in der Elektronik, und insbesondere bei der Her stellung von Schieberegistern, Verzögerungsleitungen, Speichern und ähnlichen Baustufen.

Unter dem Begriff ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement werden Halbleitersysteme verstanden, bei denen elektrische Ladungen in Potentialquellen, die entweder an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers oder - im Falle von Bauelementen mit versenktem Kanal - an der Grenzschicht zwischen einem halbleitenden Substrat und einer Oberflächenzone unter schiedlicher Dotierung geschaffen werden, gespeichert und mittels Verschiebung dieser Potentialquellen übertragen werden. Der artige Vorrichtungen enthalten bei sehr stark schematisierter Darstellung ihres Aufbaus ein Substrat aus einem dotierten Halbleiter, eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material und eine Anordnung von metallischen Elektroden, die auf geeigneten Potentialen gehalten werden. Bei den in einer solchen Vorrichtung zu verschiebenden Ladungen handelt es sich um Minoritätsladungsträger für das jeweilige halbleitende Substrat, beispielsweise um Löcher, wenn das halbleitende Substrat ein Halbleiter vom n-Typ ist.

Hinsichtlich der allgemeinen Eigenschaften derartiger la dungsgekoppelter Halbleiterbauelemente wird auf zwei Auf sätze von W. S. Boyle und G. E. Smith bzw. G. F. Amelio et al in der Zeitschrift "Bell System Technical Journal", Band 49 (1970), Seiten 587 bis 593 und 593-600 verwiesen.

Beim ersten dieser Halbleiterbauelemente wurde mit drei Taktgebern gearbeitet, von denen jeder über eine von drei Steuerleitungen mit einer von drei Elektroden verbunden war. Inzwischen sind auch ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente mit zwei Steuerleitungen beschrieben worden, bei denen unter den Elektroden unsymmetrische Potentialquellen geschaffen wer den. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die DE-OS 22 01 395 des Anmelders und auf den Aufsatz von W. F. Kosonocky und J. E. Carmes in der Zeitschrift IEEE Journal of Solid State Circuit, Band 6C-6, Nr. 5 (Oktober 1971) S. 314-322 verwiesen werden.

Bei diesen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen mit zwei Steuerleitungen werden die asymmetrischen Potentiale unter den Elektroden entweder durch eine Oberflächenregion, deren Dotie rung unter dem in Stromflußrichtung stromaufwärts liegenden Rand der Elektrode stärker ist als unter dem übrigen Teil der Elektrode, oder durch Oxidschichten mit von einem Rand der Elektrode zum anderen unterschiedlicher Dicke geschaffen.

Weiterhin sind ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente beschrieben worden, die mit nur einer Steuerleitung arbeiten, die mit allen Elektroden verbunden ist, vgl. den Aufsatz von P. P. Gelberger und C. A. T. Salama in "Proceedings of the IEEE" (Juni 1972), Seite 721-722 oder die DE-OS 22 31 616. Die in der letztgenannten Schrift beschriebenen Halbleiterbauelemente enthalten als Mittel, um eine einseitige Richtung des Ladungs transports von einer zur anderen Elektrode zu gewährleisten, dotierte Zonen, die in dem halbleitenden Substrat und zwischen den Elektroden lokalisiert sind und sich beispiels weise Änderungen in der Dicke der Oxidschicht zuordnen lassen.

In der Veröffentlichung mit dem Titel "One-Phase CCD: A new approach to charge-coupled devise clocking" in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Februar 1972, Seiten 92-93 ist ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen beschrieben, von denen eine auf ein festes Gleichspannungspotential gelegt ist und die andere mit einem Taktgeber verbunden ist. Dieses Halbleiterbauelement wird erhalten, indem man auf einem mit einer isolierenden Schicht überzogenen Halbleitersubstrat eine erste Familie von Silicium-Elektroden abscheidet, diese mit einer Isolier schicht abdeckt und auf dieser Anordnung eine zweite Familie von Aluminium-Elektroden abscheidet.

Ein solches Herstellungsverfahren ist daher sehr komplex, zunächst weil es zwei verschiedene Metalle benutzt, und außerdem weil es schwierig ist, die Familie der oberen Elektro den bezüglich der Familie der unteren Elektroden richtig zu positionieren.

Das in DE-OS 22 31 616 beschriebene ladungsgekoppelte Halb leiterbauelement wird nach einem Verfahren der eingangs genannten Art hergestellt, indem man auf der Ober fläche eines halbleitenden Substrats dotierte Zonen mit einem Sägezahn-Dichteprofil ausbildet und dann auf dieser dotierten Anordnung eine dielektrische Schicht abscheidet und dann Elektro den über den sägezahnartig dotierten Zonen abscheidet.

Dieses Herstellungsverfahren ist sehr schwierig auszuführen, weil es zum einen erfordert, dotierte Zonen mit Sägezahn- Profil herzustellen, und außerdem, weil wiederum das Problem der Ausrichtung der Elektroden bezüglich der dotierten Zonen zu lösen ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein stark ver einfachtes Verfahren zum Herstellen eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuerleitung der eingangs genannten Art anzugeben.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, in dem man dotierte Zonen durch eine zuvor auf dem Substrat ab geschiedene periodische Struktur hindurch erzeugt, was jede Schwierigkeit der Ausrichtung zwischen den dotierten Zonen und den Elektroden vermeidet. Mit anderen Worten dient die gleiche periodische Struktur sowohl zur Begrenzung der Elektro den wie zur Begrenzung der dotierten Zonen im Substrat, so daß die dotierten Zonen und die Elektroden automatisch in einer Linie liegen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das in den Ansprüchen 1 und 3 angegebene Verfahren. Eine bevorzugte Aus führungsform ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also ein ladungs gekoppeltes Halbleiterbauelement in zwei Stufen hergestellt, wobei in der ersten Stufe auf einem halbleitenden Substrat die Mittel zur Steuerung der Tiefe der Potentialquellen, nämlich die isolierende Schicht mit periodisch variierender Dicke und gegebenenfalls eine die Elektroden bildende Metall schicht abgeschieden werden, während in der zweiten Stufe des Verfahrens dotierte Zonen durch Ionenimplantation ge schaffen werden, wobei die zuvor erzeugte Struktur als Maske dient. Ein solches Verfahren zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus und verträgt sich in vollkommener Weise mit der im allgemeinen für die Herstellung von MOS-Strukturen verwendeten Technologie. Die Einhaltung der relativen Lage der dotierten Zonen einerseits und der isolierenden Stufen unterschiedlicher Dicke und der Elektroden andererseits wird dabei automatisch gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf alle Realisie rungsmöglichkeiten angewendet werden, die der Technik mit "versenktem Kanal" entsprechen, also der Herstellung von Halbleiterstrukturen, die an ihrer Oberfläche eine Oberflächenschicht aufweisen, die zum entgegengesetzten Dotierungstyp gehört wie das übrige Substrat.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden unter Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch die verschiedenen Phasen eines Verfahrens zum Herstellen eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuerleitung und dotierten Zonen unter den Elektro den und/oder in den Intervall zwischen den Elektroden;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante des Verfahrens, bei der die Abscheidung der Elektroden erst nach der Ionenimplantation vorgenommen wird;

Fig. 3 schematisch die verschiedenen Stufen eines Verfahrens zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauele ments mit einer Steuerleitung, bei dem die dotierten Zonen nur in den Zwischenraum zwischen den Elektroden implantiert werden.

Zur Erläuterung halber wird in der nachstehenden Beschreibung der Fall eines Substrats vom Typ n betrachtet, bei dem daher die Minoritätsladungsträger Löcher sind und das beispielsweise aus Silicium besteht. Die Oberflächenzonen des Substrats, in denen die Dotie rung entgegengesetzt zum übrigen Substrat ist, sind daher Zonen vom Typ p. Das Substrat kann auch vom Typ p sein. Die Oberflächenzonen sind dann vom Typ n.

In Fig. 1 sind in schematischer Weise die verschiedenen Phasen für eine erste Ausführungsvariante eines Verfahrens zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuerleitung veran schaulicht. Dieses Verfahren umfaßt die nachstehend aufgeführten, zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte:

1. Auf einem Halbleiterkörper 10 vom Typ n, beispielsweise aus Sili cium, wird durch Ionenimplantation insbesondere mit Hilfe von Bor eine gleichförmige Schicht 12 vom Typ p mit einer Dicke von bei spielsweise 0,3 µm oder mehr abgeschieden. Diese Abdeckung der Ober fläche hat zur Folge, daß der Kanal, in dem sich die Minoritätsladungsträ ger verschieben, versenkt wird, wodurch die Anzahl der Rekombina tionsvorgänge an der Oberfläche vermindert und das Verhalten bei tie fen und hohen Temperaturen verbessert wird;
2. In der Schicht 12 wird durch Oxidation eine feine Isolati onsschicht von beispielsweise 100 nm Dicke ausgebildet, die bei dem vorliegenden Beispiel aus SiO₂ besteht; diese Schicht wird dann durch lokale Gravierung soweit abgetragen, daß nur eine Folge von Flecken 14 verbleibt; damit ergibt sich eine Vorrichtung, die in der schematischen Darstellung von Fig. 1 der Phase ª entspricht;
3. Durch eine erneute Oxidation werden Oxidschichten in zweierlei Stärke von beispielsweise 100 nm und 300 nm erzeugt, so daß sich eine periodische Folge von isolierenden Stufen 16 großer Dicke und isolierenden Stufen 18 geringer Dicke ergibt, die alternierend auf einander folgen; dies entspricht im Schema von Fig. 1 der Phase b ;
4. Anschließend wird eine Metallschicht aufgebracht, die beispiels weise aus Aluminium mit einer Stärke von 100 nm besteht. Diese Schicht wird dann durch Gravierung soweit abgetragen, daß nur ein zelne Elektroden 20 verbleiben. Diese Elektroden 20 sind voneinan der durch Intervalle 22 getrennt, die jeweils aus zwei aufeinander folgenden Stufen 16 und 18 mit großer Dicke bzw. kleiner Dicke be stehen, die nicht mit der Metallschicht überzogen sind; damit ist im Schema von Fig. 1 die Phase c erreicht;
5. Es folgt eine Ionenimplantation vom Typ p mit Hilfe eines Ionen strahls, dessen Energie so bemessen wird, daß einerseits die durch die isolierenden Stufen 18 mit geringer Dicke und die metallischen Elektroden 20 gebildeten Schichten für den Ionenstrahl durchlässig sind, sich also unter den Elektroden 20 Implantationszonen 24 vom Typ p und in noch stärkerem Maße unter den Intervallen 22 zwischen den Elektroden 20 Implantationszonen 26 ergeben, daß aber die isolieren den Stufen 16 mit größerer Dicke für den Ionenstrahl undurchlässig sind, so daß unter den Intervallen 22 zwischen den Elektroden 20 Zonen 28 und in noch stärkerem Maße unter den Elektroden 20 Zonen 30 verbleiben, die von der Implantation nicht beeinflußt werden; da mit ist im Schema von Fig. 1 die Phase d ₁ erreicht;
6. Schließlich wird jede der Elektroden 20 mit einer einzigen Steu erleitung 32 verbunden, wie dies im Schema von Fig. 1 ebenfalls für die Phase d ₁ dargestellt ist.

Die oben beschriebene Ausführungsvariante bringt insofern technolo gische Schwierigkeiten mit sich, als eine metallische Elektrode ge schaffen werden muß, die für eine Ionenimplantation vom Typ p durch lässig ist, um eine geringe Vermehrung der Potentialquellen unter den Elektroden 20 zu erhalten. Man kann jedoch auf diese Vermehrung der Potentialquellen verzichten und mit Elektroden üblicher Dicke von beispielsweise 1 Mikron arbeiten, die für eine Ionenimplantation vom Typ p undurchlässig sind, wodurch sich eine erhebliche Verein fachung für die gesamte Herstellung ergibt. In der fertigen Vorrich tung verschwinden dann die Zonen 24, und es verbleiben nur die Zo nen 26 unter den Intervallen 22 zwischen den Elektroden 20, wie dies im Schema von Fig. 1 in Form der Phase d ₂ veranschaulicht ist; un ter den Elektroden 20 entsteht in diesem Falle das asymmetrische Po tential nur durch eine Variation in der Dicke der ausgebildeten Oxidschichten.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante für das Verfahren dargestellt, bei der die Phasen ª und b die gleichen sind wie bei der Ausführungs variante von Fig. 1, bei der jedoch der Verfahrensschritt der Ionen implantation vor dem Verfahrensschritt der Metallabscheidung für die Herstellung der Elektroden erfolgt. Diese Ionenimplantation führt daher zu einem Bauelement, wie es in Fig. 2 als Phase c ′ veran schaulicht ist, wobei die verschiedenen Zonen 36 vom Typ p unterein ander gleich sind. Anschließend erfolgt wieder die Abscheidung einer Metallschicht und deren Gravierung, wobei sich Elektroden 38 ergeben, die mit einer einzigen Steuerleitung 40 verbunden sind, wie dies im Schema von Fig. 2 als Phase d ′ dargestellt ist.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Auführungsvariante ermöglicht ebenfalls die Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuer leitung; diese Ausführungsvariante hat die Verfahrensschritte ª und b mit allen oben beschriebenen Ausführungsvarianten gemeinsam, an diese beiden Phasen ª und b schließt sich jedoch bei dem Aus führungsbeispiel von Fig. 3 eine Gravierungsphase für die Metall schicht an, die darauf hinausläuft, daß diese Metallschicht nur auf einem Teil der isolierenden Stufen mit großer Dicke und auf ei nem Teil der isolierenden Stufen mit geringer Dicke verbleibt, wo durch sich eine Folge von Elektroden 50 ergibt, die jeweils durch Intervalle 52 voneinander getrennt sind, die aus den nicht mehr mit der Metallschicht überdeckten Teilen der isolierenden Stufen beste hen. Dieser Zustand ist im Schema von Fig. 4 als Phase c′′′ veran schaulicht. Sodann folgt die Ionenimplantation, bei der die auf diese Weise erhaltene Struktur als Maske verwendet und die Energie des Ionenstrahls so eingeregelt wird, daß nur die isolierenden Stufen 54 von geringer Dicke und ohne Überdeckung durch die Metallschicht für den Ionen strahl durchlässig sind; dies gestattet es, in das Substrat Zonen 56 vom Typ n zu implantieren. Diese Ausführungsvariante des Verfah rens findet ihren Abschluß in der Verbindung der Elektroden 50 mit einer einzigen Steuerleitung 58.

Die vorstehende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsvarianten des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, daß sich dieses Verfahren durch eine besondere Einfachheit auszeichnet und die Herstellung von ladungsgekoppelten Halbleiter bandelementen mit hoher Leistung und geringem Platzbedarf gestattet.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuerleitung, bei dem in ein dotiertes Halbleitersubstrat Zonen mit einer Dotierung von entgegengesetztem Leitungstyp zum Leitungstyp des Sub strats implantiert werden, die eine periodische Verteilung aufweisen, auf dem Substrat eine isolierende Schicht abge schieden und auf dieser isolierenden Schicht Elektroden ab geschieden werden, die eine mit der periodischen Verteilung der Zonen entgegengesetzten Leitungstpys in Beziehung stehen de periodische Verteilung aufweisen und die mit einer Steuer leitung verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach einander folgende Schritte durchgeführt werden:

a) auf dem dotierten Halbleitersubstrat wird eine iso lierende Schicht ausgebildet, welche die Form einer periodi schen Folge von alternierend aufeinanderfolgenden isolieren den Stufen größerer und kleinerer Dicke aufweist;
b) auf jeder zweiten isolierenden Stufe größerer Dicke und auf jeder darauf folgenden zweiten isolierenden Stufe kleinerer Dicke wird eine Metallschicht abgeschieden und da mit eine Folge von jeweils durch ein aus zwei aufeinander folgenden und nicht von der Metallschicht überdeckten isolie renden Stufen unterschiedlicher Dicke bestehendes Intervall voneinander getrennter Elektroden geschaffen; oder
b') auf der isolierenden Schicht wird eine Metallschicht abgeschieden und so unterteilt, daß auf einem Teil der isolie renden Stufen größerer Dicke und auf einem jeweils daran an schließenden Teil der isolierenden Stufen kleinerer Dicke Elektroden gebildet werden, die durch Intervalle von aufeinan der folgenden Stufen unterschiedlicher Dicke getrennt sind;
c) in die Oberfläche des Halbleitersubstrats werden Zo nen mit einer Dotierung vom entgegengesetzten Leitungstyp im plantiert, indem ein Ionenstrahl auf die isolierenden Stufen und die Elektroden gerichtet wird und diese derart als Maske benutzt werden, daß die nicht von der Metallschicht überdeck ten isolierenden Stufen mit größerer Dicke für den Ionenstrahl undurchlässig, die nicht von der Metallschicht überdeckten iso lierenden Stufen mit kleinerer Dicke dagegen für den Ionen strahl durchlässig sind;
d) jede der Elektroden wird mit der Steuerleitung ver bunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation der Ionen entgegengesetzten Leitungstyps so durchgeführt wird, daß auch die von der Metallschicht über deckten isolierenden Stufen mit kleiner Dicke für den Ionen strahl durchlässig sind.

3. Verfahren zum Herstellen eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einer Steuerleitung, bei dem in ein dotiertes Halbleitersubstrat Zonen mit einer Dotierung von entgegengesetztem Leitungstyp zum Leitungstyp des Substrats implantiert werden, die eine periodische Verteilung aufweisen, auf dem Substrat eine isolierende Schicht abgeschieden und auf dieser isolierenden Schicht Elektroden abgeschieden wer den, die eine mit der periodischen Verteilung der Zonen ent gegengesetzten Leitungstyps in Beziehung stehende periodische Verteilung aufweisen und die mit einer Steuerleitung verbun den werden, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander folgende Schritte durchgeführt werden:

a) auf dem dotierten Halbleitersubstrat wird eine iso lierende Schicht ausgebildet, welche die Form einer periodi schen Folge von alternierend aufeinanderfolgenden isolierenden Stufen größerer und kleinerer Dicke aufweist;
b) in die Oberfläche des Halbleitersubstrats werden Zo nen mit einer Dotierung vom entgegengesetzten Typ implantiert, indem ein Ionenstrahl auf die isolierenden Stufen gerichtet wird und diese derart als Maske benutzt werden, daß die iso lierenden Stufen mit größerer Dicke für den Ionenstrahl un durchlässig, die isolierenden Stufen mit kleinerer Dicke da gegen für den Ionenstrahl durchlässig sind;
c) auf jeder zweiten isolierenden Stufe größerer Dicke und auf jeder zweiten darauf folgenden isolierenden Stufe klei nerer Dicke wird eine Metallschicht abgeschieden und damit eine Folge von jeweils durch ein aus zwei aufeinanderfolgenden nicht von der Metallschicht überdeckten isolierenden Stufen unter schiedlicher Dicke bestehendes Intervall voneinander getrenn ten Elektroden geschaffen;
d) jede der Elektroden wird mit der Steuerleitung ver bunden.