FI69375C - Foerfarande foer framstaellning av integrerade kretsar av mos-typ - Google Patents

Description

69375

Menetelmä MOS-tyyppisten integroitujen piirien valmistamiseksi

Menetelmä MOS-tyyppisten integroitujen piirien 5 valmistamiseksi, jossa menetelmässä piirit muodostetaan monoliittitekniikalla sinänsä tunnetuilla prosessointi-vaiheilla.

Merkittävin integroitujen piirien valmistustekniikka on monoliittitekniikka, jolla lähes kaikki suuren 10 ingegraatioasteen (LSI, VLSI) omaavat piirit on valmistettu. Monoliittitekniikan keskeinen osa on planaaripro-sessi, jonka päävaiheet muodostuu piikiekon päällystämisestä oksidilla, johon maskitekniikalla, resistein ja syövytyksin tehdään haluttua pintakuviota vastaavat ikku-15 nat, joista seosaineet diffusoidaan kaasusta tai ioni-istutetaan sisään.

Metallioksidipuolijohteet (MOS) suovat lukuisia mahdollisuuksia eri logiikkamuotojen toteuttamiseksi ja soveltuvat erityisen hyvin integroitaviksi monoliittitek-20 nilkalla, varsinkin LSI ja VLSI-piireissä. Tämä johtuu niiden yksinkertaisesta rakenteesta ja pienestä tilantarpeesta esim. bipolaaritransistoreihin verrattuna. Ajan kuluessa on kehitetty erilaisia versioita MOS-piirien integroinnista monoliittisesti, kuten metallihila-MOS- ja 25 piihila-MOS-prosessit, komplementti-MOS-prosessi (CMOS) sekä näiden eri variaatiot.

Metallihila-MOS on vanhin ja yksinkertaisin prosessi. Se on kuitenkin verrattain hidas, ja logiikkaperheenä harvinainen. Piihila-MOS- (Silicon Gate MOS) pro-30 sessin eduista mainittakoon pieni koko ja suuri nopeus. Sekä metalli- että piihilaiset MOS-piirit voivat olla joko N-kanavaisia (NMOS) tai P-kanavaisia (PMOS). Paris-tokäyttöisiin laitteisiin hyvin soveltuvilla CMOS-piireil-lä (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) on samalla 35 substraatilla sekä N- että P-kanavatransistoreita. Mono- 69375 liittitekniikka lähtee tyypillisesti johtavuudeltaan n-tyyppisestä piikiekosta, johon diffusoidaan suhteellisen syvät p-tyyppiset altaat, joihin synnytetään N-kana-vatransistorit, kun taas P-kanavatransistorit synnytetään 5 suoraan n-substraatille. CMOS-prosessi tarjoaa etuinaan erittäin pienen virrankulutuksen, hyvän häiriönsietokyvyn ja laajan käyttöjännitealueen.

Erään MOSFET-transistorityypin, pintakanavatransis-torin (Surface or Insulated Gate Field Effect Transistor) 10 valmistuksessa käytetään tunnettuja maskausmenetelmiä synnyttämään puolijohteen pintaan lähelle toisiaan lähde- ja nielualueet S ja D (Source ja Drain), joita kanava-alue erottaa toisistaan. Alueet synnytetään joko suurienergisten ionien istuttamisella tai kaasuvaihediffusoinnilla.

15 Kanava-alueen pinnalle synnytetään ohut hyvälaatuinen eris-tekalvo esim. termisellä oksidoinnilla, ja tämän päälle johtavasta materiaalista koko kanavan peittävä hila (gate).

Tyypillisesti kanava-alue on huonosti johtava ja johtavuustyypiltään vastakkainen kuin lähde- ja nielualu-20 eet. Tuomalla hilalle sopivan suuntainen jännite synnytetään kanava-alueen pinnalle ohut inversiokalvo, jolloin esim. p-tyyppinen kanava muuttuu pinnaltaan n-tyyppiseksi muodostaen n+-tyyppisten S- ja D-alueiden välille n-kana-va.

-f -f — — 25 Merkinnät n, p, n , p , n , p ovat alan ammatti miehelle itsestään selviä puolijohteen seosainekonsent-raatioita kuvaavia merkintöjä, joita ei tässä tarkemmin selitetä. Tarvittaessa mikä tahansa alan oppikirja antaa selityksen termeihin. Tekniikan kehittyessä kanavan 30 pituutta eli siis S- ja D-alueiden välistä etäisyyttä on koko ajan pienennetty jopa alle l^umrn (mikrometrin). Tällöin inversiokerroksen alle ja D-alueen pohja-alueesta erottavan pn-rajapinnan yli syntyvät tyhjennysalueet häiritsevät transistorin toimintaa enemmän kuin kanavan 35 ollessa suhteellisen pitkä. Näitä häiriöitä kutsutaan ly-hytkanavailmiöiksi.

li 60375 Tämä keksintö tähtää uudentyyppiseen pintakanava-transistoriin, jossa yllämainitut häiriöt on eliminoitu. Tämän vaikutuksen aikaansaamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle pääasiassa tunnusomaista se, että MOS-transis-5 torin kanava-alueen alle synnytetään eristeura, jonka päälle kasvatetaan ohut monikiteinen puolijohdekalvo niin, että se ainakin osittain peittää alleen myös aiotut lähde-ja nielualueet jonka jälkeen puolijohdekalvo sulatetaan paikallisesti lasersäteellä tai muulla tarkoitukseen so-10 pivalla lämmityslaitteella ja annetaan jäähtyä eristeuran kohdalla samaksi yksikiteeksi kuin lähde- ja nielualueet.

Keksintö eroaa tunnetuista menetelmistä, joissa eristeen päälle kasvatettu amorfinen piikalvo lämpökäsittelyssä tulee monikiteiseksi. Yksikiteisen materiaalin 15 sähköiset ominaisuudet ovat tunnetusti ylivoimaisia moni-kiteiseen nähden. Säätelemällä kanava-alueen puolijohde-kalvon paksuutta, johtavuustyyppiä ja johtavuutta voidaan sen määrittämän kanavatransistorin sähköisiä ominaisuuksia, kuten kynnysjännite, helposti ja joustavasti säädel-20 lä. Samalla nielu-pohja-(drain-subtrate) kapasitanssit pienenevät, mikä tekee piirin soveltuvaksi suurille käyt-tötaajuuksille. Transistorista voidaan tehdä avautuva (enhancement type: normally-off) tai sulkeutuva (depletion type: normally-on).

25 Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että mainittu ka-navaura muodostetaan ja täytetään oksidilla samanaikaisesti kuin piirin elementtejä erottavat eristeurat.

Tämä tekee valmistuksesta suhteellisen helpon ja 30 taloudellisen. Integroiduissa piireissä elementit, siis transistorit, diodit, vastukset ja kondensaattorit erotetaan sähköisesti toisistaan pääasiassa kahdella eri perusmenetelmällä : a) pn-rajapinnalla, joka useimmiten on estosuunnassa, 35 b) erilaisilla dielektrisillä menetelmillä, jossa ele- 69375 mentit erottaa eristeainetta oleva kalvo, ura, valli, tms.

Tämä keksinnön mukainen sovellutusmuoto soveltuu erityisesti niihin variaatioihin, joissa puolijohteeseen 5 esim. reaktiivisella ionisyövytyksellä (Reactive Ion

Etching) synnytetään kapeita suorakulmaisia uria, jotka täytetään joko termisellä tai kaasuvaiheesta kemiallisesti synnytetyllä (chemical vapor deposition) piidioksii-dilla tai muulla eristeaineella. Eristeellä täytetyt urat 10 ovat tyypillisesti syvempiä kuin elementtejä synnyttämään käytetyt diffuusiosyvyydet. Tällöin pn-rajapinnat päättyvät eristeuraan, mistä on todettu seuraavan pikemmin positiivisia kuin negatiivisia ominaisuuksia elementtien sähköisessä toiminnassa.

15 Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että puolijohde-kalvo piristetään yksin muodostamaan piirin lähde- ja nie-lualueet. Tämä ratkaisu säästää työvaiheita, koska lähde-ja nielualueita ei erikseen tarvitse muodostaa substraa-20 tille.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että puolijohde-kalvo prosessoidaan siten, että piirin eri elementtien välille muodostuu sähköiset liitännät tai vastaavasti pii-25 oksidieriste. Tällöin saadaan esim. integroiduissa pii reissä hyvin yleinen transistorien rinnankytkentä komp-lementtipareiksi toteutettua ilman ylimääräisiä johtimia, vain puolijohdekalvon sopiva seostus riittää tähän tarkoitukseen .

30 Keksinnön mukaisen menetelmän muille edullisille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa 35 kuvio 1 esittää valmista pintakanavatransistoria 5 69375 tunnetun tekniikan mukaisesti toteutettuna, kuviot 2a-2f esittävät keksinnön mukaisen pinta-kanavatransistorin valmistusvaiheet, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen P-kanavatran-5 sistorin erään sovellutusmuodon osasuurennoksen valmistusprosessin loppuvaiheilla, kuvio 4 esittää valmiin CMOS-piirin piirikaaviota. Kuviossa 1 on esitetty tyypillinen itsekohdistuva piihila-PMOS-pintakanavatransistori. Se on prosessoitu 10 ^-tyyppiselle substraatille 4 kasvattamalla ensin koko piikiekon kattava eristeoksidikalvo 9, joka on syövytetty aiottujen transistorien alueilta. Tämän jälkeen pii-kiekolle on kasvatettu ohut oksidikalvo 7 ja mahdollisesti myös ohut nitridikalvo (Si^N^) 8, ja sen päälle on kal-15 votettu hilan 2 muodostusta varten monikiteistä tai amorfista piitä. Seuraavaksi oksidikalvo 7, nitridikalvo 8 ja piikalvo on syövytetty pois paitsi halutun hilan 2 alueelta. Muodostuneisiin molemmin puolin hilaa 2 sijaitseviin oksidi-ikkunoihin on diffusoitu p+-tyyppiset alu-20 eet 5 ja 6. Samalla hilapiikalvo 2 seostuu voimakkaasti ja tulee hyvin johtavaksi. Seuraavaksi on muodostettu oksidikalvo 10 koko piirin päälle, ja muodostettu syövyttämällä ikkunat lähde- ja nielukontakteille 1 ja 3. Lopuksi synnytetään esim. höyrystämällä metalli- kuten 25 alumiinikalvo joka kuvioituna toimii johtimena eri piiri-elementtien välillä sekä ulkomaailmaan päin tunnetulla tavalla.

Kuvion 2 keksinnön mukaisessa CMOS-valmistuspro-sessissa lähtömateriaalina on yksikiteinen, hilaindeksil-30 taan tasoon nähden (100)-suuntainen, resistiivisyydel- tään 1...2Q ohmcm p-tyyppiä oleva pinnaltaan hiottu pii-kiekko 11. Se päällystetään aluksi kuvion 2a mukaisesti oksidikerroksella 12, jonka jälkeen planaariprosessin menetelmiä käyttäen muodostetaan kiekon 11 tiettyihin 35 pintaosiin n-altaita 13. Seosaine voi muodostua As, Sb tai P "piriste"-(doping) atomeista. Lähtömateriaali voi 69375 tietenkin olla myös n-tyyppinen, jolloin synnytetty allas on p-tyyppinen. Rakenne voi myös olla epitaksi-aalinen.

Kuvion 2b mukaisesti synnytetään fotoresististä 5 14 sitten piin pinnalle maski, jossa on aukot niissä koh din, mihin halutaan eristysurat 15 syövytettäväksi. Syö-vytys voi tapahtua esim. RIE (Reactive Ion Etching)-menetelmällä haluttuun syvyyteen. Samaa fotoresistimaskia 14 ja syövytystä käytetään myös keksinnössä olennaisen 10 osan omaavan hilauran 16 synnyttämiseen ja tunnettujen oksidointimenetelmien avulla urien 15, 16 täyttämiseen piidioksidilla kemiallisesti. Voidaan käyttää myös termistä oksidointia, tärkeää on, että urissa olevan piidioksidin ja niitä ympäröivien piialueiden pinnat ovat ai-15 nakin likipitäen samassa tasossa. Urien pohjaan voidaan tässä yhteydessä myös synnyttää piristealueet 32 ns para-siittisten kanavien syntymisen ehkäisemiseksi (kts kuv.3).

Tunnetuin menetelmin voidaan nyt synnyttää kuvion 2c mukaisesti kahdessa vaiheessa peräkkäin uusien foto-20 resistimaskien avulla p-substraatin pintaan N-kanavatran-sistorien n+-tyyppiset S/D-alueet 18 ja vastaavasti n-altaiden 13 pintaosiin P-kanavatransistorien p+-tyyppi-set S/D-alueet 19. Kuviossa 2c on esitetty tilanne molempien vaiheiden jälkeen, ennen toisen maskin 17 poistoa.

25 Huomattava on, että maskaus ei ole kriittinen, vaan voi ulottua osin eristysurien päälle. Yllä selostettu vaihe voidaan myös eräissä tapauksissa jättää suorittamatta (kts kuv. 3) .

Yli koko kiekon kasvatetaan nyt hyvin ohut 0,1...

30 l,0^um paksuinen p-tyyppinen piikalvo 20 esim. CVD-mene-telmällä tai sputteroimalla (kuvio 2d). Normaalimenetel-min maskataan piikalvo muilta kuin aktiivialueilta so transistorien yms päältä pois, ja kiteytetään sekä kanava-alueet 21 ja 22 että muut halutut piikalvon osat yksi-35 kiteisiksi keksinnön mukaisesti esim. lasersäteen avulla.

Il 69375

Laserin sijasta on mahdollista käyttää kuumanauhatekniik-kaa tai isotermistä reaktiota pintakuumennuslampulla. S/D-alueet toimivat kiteytyksessä siemenkiteinä. Tämän jälkeen käyttäen maskausta 23 ja ioni-istutusta "piris-5 tetään" aiotut n-kanava-alueet 21 vastakkaistyyppisiksi kuin transistorin p-tyyppiset S/D-alueet 19, esim. fosforilla. P-kanava-alue 22 on jo oikean tyyppinen. Kuvio 2d esittää tätä tilannetta. Kasvatettu piikalvo voi olla myös itsejohtava (intrinsinc), jolloin sen kanava-alue-1Q osat on piristettävä p- tai n-tyyppisiksi riippuen siitä, millaisia transistoreita halutaan. Jos monikiteinen piikalvo 20 ylettyy urien 15 yli, voi se toimia joko eristeenä 20a (esim. muuttamalla piikalvo paineoksidoinnilla eristäväksi piidioksidiksi kuvion 2e mukaisesti), tai so-15 pivasti piristettynä (piikiekon erilaiset lämpökäsittelyt seostavat kalvoa alhaalta S/D-alueilta käsin p+- tai n+-tyyppiseksi puolijohteeksi) kalvo voi myös toimia joh-timena 20b kahden transistorin tai muun piirielementin välillä eristeurien 15 yli, kuten on esitetty kuviossa 20 2f. Kalvon 20 n+- ja p+-piristys on välttämätöntä silloin, kun alla olevia n+- ja p+-alueita 19 ja 18 ei aikaisemmassa vaiheessa ole muodostettu (kts kuv. 3).

Tämän jälkeen kuvion 2e mukaisesti piin pinnalle kasvatetaan erittäin puhdas oksidi tai muu eristekalvo 25 24 ja sen pinnalle johtava kalvo 25, joka myöhemmin toi mii hilana. Mikäli kalvoa 25 halutaan käyttää myös johti-mena S/D-alueisiin, on ennen sen kasvatusta syövytettävä mainittuun ohueen eristekalvoon 24 kontaktiaukot 31, kuten kuviossa 3 on esitetty. Lisäksi, jos halutaan sulku-30 tyyppisiä MOSFET-transistoreja, piristys säädetään siten, että lähde-kanava-nielu-konfiguraatio on n-kanava ja p- + + + + kanavatransistoreilla n -n-n ja vastaavasti p -p-p · Käytettyjä hilametallikalvoja 25 ovat mm monikiteinen pii, piin ja useiden metallien silisidit, alumiini ym 35 metallit.

69375 Tämän jälkeen (kuv. 2f) johtava kalvo 25 maska-taan, niin että se jää vain halutuille alueille hilaksi, haudatuiksi kontakteiksi ja johtimiksi. Maskauksen jälkeen voidaan suorittaa ioni-istutukset, joilla transis-5 toreista tulee ns itsekohdistuvia, mutta se ei ole välttämätöntä. Tämän jälkeen piirielementit prosessoidaan tunnetulla tavalla, päällystetään suojakerroksilla, esim. CVD-oksidilla 26, johon maskataan kontaktiaukot, minkä jälkeen kasvatetaan yksi tai useampia johdinkalvoja, muo-10 dostetaan kontaktit 27, 28, 29 ja passivoidaan suojakalvolla 30. Kuvio 2f esittää esimerkin lopullista CMOS-invertteripiiristä, jossa p-kanavatransistorin lähde-ja n-kanavatransistorin nielualueet on yhdistetty piikal-volla 20 ja yhdistetty yhteiseen kontaktielimeen 28. On 15 huomattava, että esim. hilojen välinen kytkentä ei näy kuvion 2f kuvatasossa. Kuvio 4 esittää CMOS-invertterin vastaavaa piirikaaviota. Kuvion 2f ja 4 napojen vastaavuudet ovat 25=IN, 27=Vgg, 28=OUT, 29=VDQ.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön 20 eri sovellutusmuodot eivät rajoitu ainoastaan yllä esitettyyn esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa kanavan muodostamiseen ja sen ominaisuuksien muokkaamiseen missä 25 tahansa pääasiallisesti monoliittitekniikalla valmistettavassa MOS-tyyppisessä puolijohteessa. Eri valmistusvaiheiden tarkempi toteutustapa ja järjestys voi myös vaihdella. Esim. epitaksiaalisesti kasvatettu polykide-piikerros voidaan kiteyttää laserin sijasta myös liikku-3Q valla, kuumentavalla nauhalla.

li

Claims (8)

69375

1. Menetelmä MOS-tyyppisten integroitujen piirien valmistamiseksi, jossa menetelmässä piirit muodostetaan 5 monoliittitekniikalla sinänsä tunnetuilla prosessointi-vaiheilla, tunnettu siitä, että MOS-transistorin kanava-alueen (21) alle synnytetään eristeura (16), jonka päälle kasvatetaan ohut monikiteinen puolijohdekalvo (20) niin, että se ainakin osittain peittää alleen myös 10 aiotut lähde- ja nielualueet (18, 19), jonka jälkeen puolijohdekalvo (20) sulatetaan paikallisesti lasersäteellä tai muulla tarkoitukseen sopivalla lämmityslaitteella ja annetaan jäähtyä eristeuran kohdalla samaksi yksiki-teeksi kuin lähde- ja nielualueet.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että kanavaura (16) muodostetaan ja täytetään oksidilla samanaikaisesti kuin piirin elementtejä erottavat eristeurat (15).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 20 jossa kasvatetaan puolijohdekalvo (20) epitaksiaalimene- telmällä, tunnettu siitä, että kalvon kiteytymisen annetaan tapahtua suoraan epireaktorissa.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puolijohdekalvo (20) 25 piristetään yksin muodostamaan piirin lähde- ja nielu-alueet.

5. Jonkin patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puolijohdekalvo (20) prosessoidaan siten, että piirin eri elementtien välille 30 muodostuu sähköiset liitännät.

6. Jonkin patenttivaatimusten 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puolijohdekalvo (20) on paikallisesti muodostettu piioksidiksi. 69375

7. Jonkin patenttivaatimusten 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hilaeristeurat (15, 16. ovat täytetyt piinitridillä.

8. Jonkin patenttivaatimusten 1-6 mukainen mene- 5 telmä, tunnettu siitä, että hilaeristeurat (15, 16) ovat täytetyt monikiteisellä johtamattomalla piillä. Il 69375