RU1098456C - Способ изготовлени интегральных схем - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к электронной технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов.

в частности ИС цифроаналоговых и аналогоцифровых систем.

Цель изобретени  - повышение надежности МОП-транзисторов, упрощение технологии , создание n-p-n бипол рных транзисторов с тонкой активной базой и повышение плотности размещени  злементов в ИС.

На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводниковой подложки после формировани  первой и второй масок и проведени  первой и второй ионных имплантаций бора; на фиг.2 - поперечное сечение полупроводниковой структуры после формировани  изолирующего и затворного диэлектриков и электрода затвора: на фиг.З - поперечное сечение готовой К-МОП-структуры и бипол рного транзистора после формировани  областей истоков, стоков МОП-транзисторов и эмиттера бипол рного транзистора и формировани  алюминиевых шин разводки.

В соответствии с изобретением на полупроводниковой подложке, имеющей примыкающие к рабочей поверхности низколегированные области п-типа 1 и р-типа 2 проводимости, формируют первую маску , состо щую из слоев термической двуокиси кремни  3, пиролитического сло  поликристаллического кремни  4 и нитрида кремни  5, и вторую - фоторезистивную маску 6; Далее формируют области поДлегировани  подложки и диффузионных шин 7, а также области пассивной базы бипол рных транзисторов 8 р+-типа проводимости первой и второй имплантаци ми бора с энергией 30-40 кэВ и дозой 300-600 мк Кл/см и с энергией 100-150 кэВ и дозой 100-200 мк Кл/см через сквозные окна в первой и второй масках и формируют области каналоограничени  9. примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком , области подлегировани  истоков , стокор р-канальных МОП-транзисторов 10, а также области активной базы бипол рных транзисторов 11с поверхностной концентрацией , меньше, чем в област х р+-типа, ионной имплантацией бора с энергией 100,-150 кэВ и дозой100-200 мк Кл/см окна во второй маске сквозь материал первой маски (см.фиг,1).

После удалени  второй маски формируют изолирующий диэлектрик 12 окислением поверхности подложки в окнах первой маски и после удалени  первой маски формируют диэлектрик 13 затвора и электроды затвора 14 из сильно легированного фосфором сло  поликремни  (см.фиг.2).

Далее формируют области истоков, стоков п-типа проводимости 15, подлегировани  подложки 16 и эмиттера бипол рных транзисторов 17 п+-типа проводимости ионной имплантацией примеси п-типа через окна , образованные фоторезистивной маской,

изолирующим диэлектриком и электродом затвора, и формируют области истоков, ctoков р-типа 18 ионной имплантацией бора дл  достройки областей подлегировани  истоков , стоков р-ь-типа 10 до электрода затвора 14. На последнем этапе известным способом формируют межуровневый диэлектрик 19 и алюминиевые шины разводки 20.

0 Поставленна  цель повышени  надежности МОП-структур достигаетс  повышением уровн  легировани  в каналоограничительных област х р-типа проводимости, примыкающих к затворному

5 диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком под электродом затвора р-канального транзистора и, следовательно, повышением порогового напр жени  паразитного п-канального транзистора с поли0 кремниевым затвором на краю изолирующего диэлектрика до 20 В и более. При этом ввиду того, что указанные каналоограничительные области могут быть сформированы только под кра ми затворов и не

5 примыкают к област х п+-истоков, стоков по . всему их периметру, в отличие от известного способа, по которому указанные области каналоограничени  формируютс  по всему периметру границ областей истоков, стоков

0 п+-типа, определ емых границей окон в первой маске под изолирующий диэлектрик , увеличение уровн  легировани  в област х каналоограничени  не приводит к . увеличению токов утечки и емкостей пери5 ферийных участков диффузионных переходов п+-сток-подложка.

Кроме того, формирование областей подлегировани  истоков, стоков р-типа пе ред формирование поликремниевых затво0 ровпозвол етформировать

самосовмещенные с затвором области истоков , стоков ионной имплантацией бора с . малыми дозами и энерги ми, например 10 20 мкКл/см и 30-40 кЭВ, на малую глубину,

5 что дает следующие преимущества.

Снижение уровн  паразитного подлегировани  бором поликремниевого затвора п+-типа повышает стабильность пороговых напр жений.

0 Снижение уровн  легировани  и глубины областей истоков, стоков р-типа, примыкающих к затвору, уменьшает эффект сквозного обеднени  дл  транзисторов с малой длиной канала, увеличива  напр же5 ние смыкани  и надежность транзистора и уменьшени  паразитную емкость перекрыти  затвор - сток.

Уменьшен уровень дефектности облаcteй истоков, стоков р-типа, вводимый имплантацией и, следовательно, снижены токи

утечек и шумов МОП-транзисторов без использовани  высокотемпературных (более 900°С) отжигов дефектов, ухудшающих стойкость МОП ИС к воздействию внешних факторов (ВВФ).

Способ позвол ет получить относительно высоколегированные области подлегировани  подложки и диффузионные шины разводки р+-типа под изолирующих диэлектриком , что дает возможность, во-первых, снизить напр жение и ток включени  паразитных тиристорных структур в К-МОП-схемах , что положительно сказываетс  на надежности ИС и, во-вторых, использовать эти Р+-ШИНЫ разводки в качестве дополнительного уровн  разводки, что дает возможность значительно сократить площадь кристалла ИС, занимаемую разводкой, особенно в нерегул рных К-МОП ИС с повышенной плотно.стью размещени  элементов.

Возможность реализации качественных бипол рных п-р-п вертикальных транзисторов с тонкой активной базой.без усложнени  технологии достигаетс  возможностью формировани  области активной базы р-типа перед формированием П+-ИСТОКОВ, стоков и на большую глубину, причем в предлагаемом способе реализуетс  самосовмещение области эмиттера с областью пассивной базы с повышенным уровнем легировани , что уменьшает токи утечки и емкости эмиттерного перехода.

Структура бипол рных вертикальных пр-п транзисторов реализуетс  только технологическими операци ми, необходимыми дл  К-МОП-структур. Интегральна  сложность технологического процесса определ етс  количеством этапов фотомаскировани , которое равно 8, включа  фотогравировку сло  пассивации, тогда как в известном способе их 9.

Экономи  одного процесса фотогравировки получаетс  в св зи с возможностью проведени  операции формировани  истоков , стоков р-типа ионной имплантацией бора с малой дозой (20-30 мкКл/см ) и на малую глубину без фоторезистивной маски.

Проведение легировани  областей через сквозные окна в фоторезистивной и нитридной масках имплантацией бора с энергией 30-40 кэВ. легировани  областей сквозь нитридную маску толщиной 0,230 ,33 мкм имплантацией бора с энергией 100-150 кзВ позвол ет повысить воспроизводимость концентрации примеси в област х , легированных имплантацией сквозь нитридную маску за счет того, что бор с энергией 30-40 кзВ практически не проходит через маскуО.23-0,35 мкм (средний пробег 0.1-0,14 мкм), а боре энергией 100-150

кэВ (средний пробег 0,32-0,45 мкм) почти не

задерживаетс  этим маскирующим слоем.

Имплантаци  через сквозные окна в

5 первой и второй масках бором с дозой 300600 мкКл/см позвол ет получить области с

уровнем легировани  более 5.10 1/см,

причем повышение дозь более 600

мкКл/см нерационально в св зи с резким

0 повышением времени легировани  и повышением дефектности имплантированных слоев. Имплантаци  бора через окна второй маски сквозь первую маску с дозой 100200 мкКл/см позвол ет получить

5 оптимальные дл  областей активной базы уровни легировани  1.10 1/см.

Использование в качестве первой маски трехслойной системы из двуокиси кремни  толщиной 500-700 А, поликремни  толщи0 ной 0,08-0,12 мкм и нитрида кремни  толщиной 0,10-0.14 мкм позвол ет

минимизировать величину бокового окислени  под. нитридом кремни , возрастающую при увеличении толщины окисно5 го сло  под нитридом, что дает возможность повысить плотность размещени  элементов вИС.

уменьшить механические напр жени  в системе кремний-окисел - нитрид кремни ,

0 возрастающие с уменьшением толщины окисла и увеличением толщины нитрида кремни , что повышает выход гордных и надежность ИС,

снизить дефектность затворного окис5 ла, св занную с так называемым эффектом Кюи, т.е. образованием паразитной пленки нитрида кремни  на поверхности подложки под окисным слоем у краев нитридной маски и в местах ее проколов (дефектов).

0 Пленка нитрида кремни  преп тствует нормальному росту затворного окисла, вызыва  его повышенную дефектность. Подавление эффекта Кюи св эано с наличием под нитридом сло  поликремни , преп тствую5 щего диффузии аммиака к поверхности кремни  подложки. Кроме того, слой поликремни  уменьшает кривизну поверхности подложки, возникающую после выращивани  изолирующего окисла на кра х нитрид0 ной маски из-за бокового окислени , что приводит к повышению пробивного напр жени  затворного диэлектрика. Таким образом , подслой поликремни  под нитридом повышает выход годных и надежность ИС.

5 Согласно предлагаемому способу была изготовлена тестова  ИС, включающа  п- и р-канальные МОП и бипол рные транзисторы следующим образом. В низколегированной кремниевой подложке п-типа с удельным сопротивлением 4.5 Ом-см и ориентацией поверхности по плоскости 100 формируют низколегированную р-обдасть ионной имплантацией бора с энергией 40 кэВ и дозой 4 мкКл/см с последующей разгонкой в атмосфере сухого кислорода в течение 16 ч при температуре 1150°С до глубины 7 мкм. При этом на поверхности подложки нарастает слой двуокиси кремни , который полностью удал етс . На очищенной поверхности подложки выращивают демпферный окисел толщиной 600±50 А термоокислением в сухом кислороде при 1000°С, осаждают слой поликристаллического кремни  толщиной 0,10±0,02 мкм пиролизом моносилана при низком давлении и слой нитрида кремни  толщиной 0,12 ±0,02 мкм пиролизом моносилана в атмосфере аммиака, провод т фотогравировку окон в первой маске под изолирующей окисел с травлением слоев нитрида кремни  и.поликремни .

Далее формируют вторую фоторезистивную маску с окнами под области подлегировани  истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов, диффузионных шин разводки, пассивной и активной базы бипол рных транзисторов над област ми поверхности подложки п-типа и с окнами под области подлегировани  подложки и каналоограничени  над област ми поверхности подложки р-типа. Провод т первую ионную имплантацию бора с энергией 40 кэВ и дозой 300 мкКл/см в области подлегировани  подложки, диффузионных шин и пассивной базы р+-типа проводимости через сквозные окна в нитридной и фоторезистивной масках и провод т вторую ионную имплантацию бора с энергией 100 кэВ и дозой 150 мкКл/см через окна в фоторезистивной маске сквозь слои нитрида кремни , поликремни  и окисла суммарной толщиной 0,23-0,33 мкм в области подлегировани  истоков , стоков р-типа проводимости, в области каналоограничени , примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком, и в области активной базы п-р-п бипол рных транзисторов, при зтом в области, защищенные трехслойной первой маской, проходит 75-105 мкКл/см бора, а в открытые в первой и второй масках области подложки 430 мкКл/см бора.

Следует отметить, во-первых, с целью снижени  дефектов в имплантированных бором област х подложки тонкий слой двуокиси кремни  в первой маске не травилс  в данном примере, поэтому около 5% дозы бора, имплантированного с энергией 40 кэВ. задерживаетс  этим окислом и, во-вторых , последовательность проведени  имплантаций с малой и высокой энерги ми не имеет значени  в..данном способе, поэтому они провод тс  с однократной загрузкой

подложек в установку ионного легировани  и перестройкой энергии легировани  в сторону уменьшени  или увеличени  после набора одной из доз.

После удалени  фоторезистивной маски

0 провод т термообработку подложек при 1050°С в сухом кислороде 30 с дл  разгонки бора в глубь подложки и окисление поверхности подложки, не защищенной маской нитрида кремни  при 1000°С в течение 4 ч

5 во влажном кислороде дл  формировани  изолирующего окисла толщиной 0,85 мкм. В результате формируютс  р -области подлегировани  подложки, диффузионных шин и пассивной базы бипол рных транзисторов с

0 глубиной 2 мкм и концентрацией более 5.10 I/CM и р- збласти каналоограничени , подлегировани  истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов и активной базы бипол рных транзисторов с глубиной

5 1,5 мкм и концентрацией 1.10 1/см

Далее удал ют нитрид кремни , поликремний и окисел первой маски, выращивают на месте первой маски затворный диэлектрик толщиной 9СО Д термоокислени0 ем при 1000°С и формируют электрод затвора пиролитическим осаждением поликристаллического кремни  толщиной 0,6 мкм при низком давлении с последу1йщим легированием его фосфором диффу5 зией из РОС1з в потоке газа-носител  при 900°С до RS 20-30 Ом/а и фотогравировкой .

На следующем этапе фотогравировкой по затворному окислу с последующим диф0 фузией фосфора из POCia в потоке газа-носителй при 900°С формируют области истоков, стоков, подлегировани  подложки и эмиттера бипол рных транзисторов. Окисл ют п -области при температуре 9005 950°С во влажном кислороде до толщины окисла 0,23 мкм, при этом над нелегированными фосфором област ми подложки окисел дорастает до 0,14 мкм. Провод т ионмую имплантацию бора с энергией 40

0 кэВ и ДОЗОЙ.20 мкКл/см дл  формировани  самосовмещенных с затвором областей истоков , стоков р-канальных МОП-транзисторов без использовани  фотомаскировани , в результата чего в области п -истокоа, сто5 ков попадает 2 мкКл/см бора, что не оказывает заметного вли ни  на их характеристики.

На последнем этапе осаждают слой межуровней изол ц ; - фосфорно-силикат нрго стекла - толщиной 1,7 мкм, провод т

термообработку ФСС дл  оплавлени  при 900°С, при этом окончательно формируютс  области истоков, стоков п-канальных МОПтранзисторов и эмиттера бипол рных транзисторов на глубину 1,0 мкм, и, следовательно, толщина активной базы бипол рных транзисторов получаетс  0,5 мкм, что дает возможность получить бипол рные транзисторы с хорошими частотными характеристиками. Провод т фотогравировку окон под омические контакты , осаждают на подложку слой алюмини , легированный кремнием вакуумным распылением алюмини  и кремни , провод т фотогравировку э люминиевой разводки, осаждают слой защитного фосфорно-силикатного стекла и провод т фотогравировку контактных площадок.

Изготовленные согласно приведенному примеру тестовые ИС имели следующие характеристики элементов:

Пороговые напр жени  МОП-транзисторов , В

п-канальных 1,6 р-канальных /v 1,3

Напр жени  пробо  сток-подложка, В

n -стоков 13 р-стоков 30

Напр жение смыкани  исток-сток дл  транзисторов с 3,5 мкм шириной затвора на пластине, В

п-канальных 15 р-канальных 15

Пороговое напр жение паразитного пканального элемента с поли кремниевым затвором под изолирующим диэлектриком, В по. поверхности p-t-каналоограничительных областей 80

по поверхности дополнительных каналоограничительных областей 40

Врем  задержки и произведение задержки на потребл емую инвертором мощность на частоте до 9 МГц дл  инверторов с 3,5 мкм шириной затвора транзисторов на пластине и отношением ширины канала к длине 2

врем  задержки, не/инвертор 2-4

произведение задержки на потребл емую

инвертором мощность, пДж/инвертор 0,05

Сдвиг пороговых напр жений тестовых п-МОП-транзисторов после термополевых испытаний (2 ч при 180°С), В дл  рабочих транзисторовне более 0,1-0,2

дл  паразитных п-МОП-транзисторовне более 0,5 Коэффициент усилени  бипол рных п-рп-транзисторов

при икэ 5 В, J3 ЮмА более 30 Плотность размещени  элементов с учетом шин разводки по кольцевому генератору , инверторов/мм до 800 Из приведенных характеристик видно, что предлагаемый способ изготовлени  КМОП ИС, включающий всего 8 этапов фотомаскировани , позвол ет реализовать в одном кристалле К-МОП структуры с высокими и стабильными пороговыми напр жени ми паразитных МОП элементов, обуславливающими их повышенную надежность , и одновременно с высоким быстродействием и низким потреблением мощности, обусловленными малыми емкост ми структур, а также - бипол рные транзисторы с вертикальной р-структурой. Аналогично бипол рным транзисторам предложенный способ позвол ет реализовать j - FET структуры с вертикальным каналом п-типа, что представл ет расширенные возможности дл  изготовлени  высококачественных аналоговых и аналого-цифровых ИС по данному способу.

Необходимо отметить, что предлагаемый способ изготовлени  К-МОП ИС пригоден дл  изготовлени  К-МОС ИС в низколегированной подложке р-типа, что дает возможность повысить быстродействие К-МОД ИС и изготавливать бипол рные транзисторы с изолированными р-п переходом коллекторами.

к