Способ изготовления интегральных схем

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s Н 01 21/265

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ик" гъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3500767/25 (22) 18.10.82 (46) 07.03.93. Бюл. М 9 (72) Ю.В.Агрич, M.M.Èâàíêoâcêèé и

С.А. Сульжиц (56) А fully lmpllanted MOS-S MOS blpollar

techology for VLSI of Analog — Begita1

slstems. J.IEEE Trans on Electron Device чо1, ЕΠ— 26, ЬЬ 4, April, 1979, рр. 390-395.

$!!!соп - Gafe u-well CMOS Process by

Full Jon-Implant!on Techology, !.!ЕЕЕ Trans, of Electr, Dev., vol. ED — 27, и 9, Sept. 1980, р. l979- 1795. (54)(57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ с -MO0-структурами, включающий формирование на полупроводниковой подложке с низколегированными областями и- и р-типов проводимости.первой маски с.окнами под изолирующий диэлектрик и второй маски с окнами над областями подложки р-типа проводимости, ионную имплантацию примеси р-типа в области каналоограничения через сквозные окна в первой и второй масках, формирование изолирующего диэлектрика окислением поверхности подложки в окнах первой маски, удаление первой маски, формирование затворного окисла и поликремниевого затвора и формирование самосовмещенных с затвором областей истоков, стоков, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности МОП-транзисторов, упрощения технологии, создания и-р-и биполярных транзисторов с тонкой активной базой и поИзобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов, Ы2,, 1098456 A 1 вышения плотности размещения элементов в ИС, формирую вторую маску с окнами под области подлегирования истоков, стоков рканальных МОП-транзисторов, диффузионных шин разводки, пассивной и активной базы биполярных транзисторов над областями поверхности подложки и-типа и с окнами под области подлегирования годложки и каналоограничения над областями поверхности подложки р-типа, проводят первую ионную имплантацию примеси р-типа проводимости через сквозные окна в первой и второй масках и проводят вторую ионную имплантацию примеси р-типа проводимости через окна второй маски сквозь материал первой маски с меньшей дозой и большей энергией, чем при первой ионной ) имплантации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую ионную имплантацию проводят бором с энергией 30-40 кэВ и дозой

300 — 600 мкКЛ/см а вторую ионную имп-, г, лантацию проводят бором с энергией 100150 кэВ и дозой 100 — 200 мкКл/см сквозь — а первую маску толщиной 0,23-0,33 мкм. «и)

3. Способ по пп.! и 2, о т л и ч а ю щ и й- О с я тем, что, с целью повышения выхода «р годных ИС, первую маску формируют после- д довательным нанесением на поверхность., подложки слоев двуокиси кремния толщиной 500 — 700 А, поликристаллического крем- О и ния толщиной 0,08 — 0,12 мкм и нитрида кремния толщиной О, lo — 0,14 мкм и фотогра- Э вировкой полученной трехслойной системы. д в частности ИС цифроаналоговых и аналого. цифровых систем.

Цель изобретения — повышение надежности MOll-транзисторов, упрощение тех1098456 нологии, создание и-р-и биполярных транзисторов с тонкой активной базой и повышение плотности размещения элементов в

ИС, На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводниковой подложки после формирования первой и второй масок и проведения первой и второй ионных имплантаций бора; на фиг.2 — поперечное сечение полупроводниковой структуры после формирования изолирующего и затворного диэлектриков и электрода затвора; на фиг.3 — поперечное сечение готовой К-МОП-структуры и биполярного транзистора после формирования областей истоков, стоков

MOll-транзисторов и эмиттера биполярного транзистора и формирования алюминиевых шин разводки.

В соответствии с изобретением на полупроводниковой подложке, имеющей примыкающие к рабочей noaeðxíoñòè низколегированные области и-типа 1 и р-типа 2 проводимости, формируют первую маску, состоящую из слоев термической двуокиси кремния 3, пиролитического слоя поликристаллического кремния 4 и нитрида кремния 5, и вторую — фоторезистивную маску 6; Далее формируют области подлегирования подложки и диффузионных шин 7, а также области пассивной базы биполярных транзисторов 8 р+-типа проводимости первой и второй имплантациями бора с энергией 30 — 40 кэВ и дозой 300 †6 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 каналоограничения 9, примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком, области подлегирования истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов

10, а также области активной базы биполярных транзисторов 11 с поверхностной концентрацией, меньше, .чем в областях р+-типа, ионной имплантацией бора с энергией 100,-150 кэВ и дозой 100 †2 мк

Кл/см через окна во второй маске сквозь материал первой маски (см.фиг.1).

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

Далее формируют области истоков, стоков и-типа проводимости 15, подлегирования подложки 16 и эмиттера биполярных транзисторов 17 n+-типа проводимости ионной имплантацией примеси и-типа через окна, образованные фоторезистивной маской, изолирующим диэлектриком и электродом затвора, и формируют области истоков, стоков р-типа 18 ионной имплантацией бора для достройки областей подлегирования истоков, стоков р+-типа 10 до электрода затвора 14, На последнем этапе известным способом формируют межуровневый диэлектрик 19 и алюминиевые шины разводки

20.

Поставленная цель повышения надежности МОП-структур достигается повышением уровня легирования в каналоограничительных областях р-типа проводимости, примыкающих к затворному

15 диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком под электродом затвора р-канального транзистора и, следовательно, повышением порогового напряжения паразитного и-канального транзистора с поли20 кремниевым затвором на краю изолирующего диэлектрика до 20 В и более, При этом ввиду того, что указанные каналоограничительные области могут быть сформированы только под краями затворов и не

25 примыкают к областях и+-истоков, стоков по всему их периметру, в отличие от известного способа, по которому указанные области ка" налоограничения формируются по всему периметру границ областей истоков, стоков

30 n+-типа, определяемых границей окон в первой маске под изолирующий диэлектрик, увеличение уровня легирования.в областях каналоограничения не приводит к увеличению токов утечки и емкостей пери-.

35 ферийных участков диффузионных переходов и+-сток-подложка.

Кроме того, формирование областей подлегирования истоков, стоков р-типа перед формирование поликремниевых затво40 ров позволяет формировать самосовмещенные с затвором области истоков, стоков ионной имплантацией бора с малыми дозами и энергиями, например 1020 мкКл/см и 30 — 40 кэВ, на малую глубину, 2

45 что дает следующие преимущества.

Снижение уровня пзрззитного подлеги- . рования бором поликремниевого затвора и+-типа повышает стабильность пороговых напряжений.

50 Снижение уровня легирования и глубины областей истоков, стоков р-типа, примыкающих к затвору, уменьшает эффект сквозного обеднения для транзисторов с малой длиной какала, увеличивая напряжеwe смыкания и надежность транзистора и уменьшения паразитную емкость перекрытия затвор сток.

Уменьшен уровень дефектности областей истоков, стоков р-типа, вводимый имплантзцией и, следова ельне, снижены токи

5 1098456 6 факторов (В ВФ). 5

Способ позволяет получить относительно высоколегированные области подлегиро10

20

25.n+-истоков, стоков и на большую глубину, причем в предлагаемом способе реализуется самосовмещение области эмиттера с об- .30

35 утечек и шумов MOll-транзисторов без использования высокотемпературных (более

900 С) отжигов дефектов, ухудшающих стойкость МОП ИС к воздействию внешних вания подложки и диффузионные шины разводки р+-типа под изолирующих диэлектриком, что дает возможность, во-первых, снизить напряжение и ток включения паразитных тиристорных структур в К-МОП-схемах, что положительно сказывается на надежности ИС и. во-вторых, использовать эти Р+-шины разводки в качестве дополнительного уровня разводки, что дает возможность значительно сократить площадь кристалла ИС, занимаемую разводкой, особенно в нерегулярных К-МОП ИС с повышенной плотностью размещения элементов.

Возможность реализации качественных биполярных и-р-и вертикальных транзисторов с тонкой активной базой без усложнения технологии достигается возможностью формирования области активной базы р-типа перед формированием ластью пассивной базы с повышенным уровнем легирования, что уменьшает токи утечки и емкости эмиттерного перехода.

Структура биполярных вертикальных ир-и транзисторов реализуется только технологическими операциями, необходимыми для К-MOll-структур. Интегральная сложность технологического процесса определяется количеством этапов фотомаскирования, которое равно 8, включая фотогравировку слоя пассивации, тогда как в известном способе их 9.

Экономия одного процесса фотогравировки получается в связи с возможностью проведения операции формирования истоков., стоков р-типа ионной имплантацией бора с малой дозой (20-30 мкКл/см ) и на малую глубину без фоторезистивной маски.

Проведение легирования областей через сквозные окна в фоторезистивной и нитридной масках имплантацией бора с энергией 30-40 кэВ, легирования областей сквозь нитридную маску толщиной 0,230,33 мкм имплантацией бора с энергией

100-150 кэВ позволяет повысить воспроизводимость концентрации примеси в областях, легированных имплантацией сквозь нитридную маску за счет того, что бор с энергией 30-40 кэВ практически не проходит через маску 0,23-0,35 мкм (средний про40

5О

55 бег 0,1 — 0,14 мкм), а бор с энергией 100 — 150 кэ В (средний пробег 0,32 — 0,45 мкм) почти не задерживается этим маскирующим слоем.

Имплантация через сквозные окна в первой и втооой масках бором с дозой 300600 мкКл/см позволяет получить области с уровнем легирования более 5.10 1/см, причем повышение дозы более 600 мкКл/см нерационально в связи с резким повышением времени легирования и повышением дефектности имплантированных слоев. Имплантация бора через окна второй маски сквозь первую маску с дозой 100—

200 мкКл/см позволяет получить оптимальные для областей активной базы уровни легирования 1.1018 1/см .

Использование в качестве первой маски трехслойной системы из двуокиси кремния толщиной 500-700 А, поликремния толщиной 0,08 — 0,12 мкм и нитрида кремния толщиной 0,10 — 0,14 мкм позволяет минимизировать величину бокового окисления под. нитридом кремния, возрастающую при увеличении толщины окисного слоя под нитридом, что дает возможность повысить плотность размещения элементов вИС, уменьшить механические напряжения в системе кремний — окисел — нитрид кремния, возрастающие с уменьшением толщины окисла и увеличением толщины нитрида кремния, что повышает выход гордных и надежность ИС, снизить дефектность затворного окисла, связанную с так называемым эффектом

Кюи, т.е. образованием паразитной пленки нитрида кремния на поверхности подложки под окисным слоем у краев нитридной маски и в местах ее проколов (дефектов).

Пленка нитрида кремния препятствует нормальному росту затворного окисла, вызывая его повышенную дефектность. Подавление эффекта Кюи связано с наличием под нитридом слоя поликремния, препятствующего диффузии аммиака к поверхности кремния подложки. Кроме того, слой поликремния уменьшает кривизну поверхности подложки, возникающую после выращивания изолирующего окисла на краях нитридной маски из-за бокового окисления, что приводит к повышению пробивного напряжения затворного диэлектрика. Таким образом, подслой поликремния под нитридом повышает выход годных и надежность ИС.

Согласно предлагаемому способу была изготовлена тестовая ИС, включающая и- и р-канальные МОП и биполярные транзисторы следующим образом. В низколегированной кремниевой подложке и-типа с удельным сопротивлением 4,5 Ом см и ори1098456

20

55 ентацией поверхности по плоскости <100> формируют низколегированную р — область ионной имплантацией бора с энергией 40 кзВ 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 кремния, который полностью удаляется, На очищенной поверхности подложки выращивают демпферный окисел толщиной

600+50 А термоокислением в сухом кислороде при 1000 С, осаждают слой поликристаллического кремния толщиной

0,10 +0,02 мкм пиролизом моносилана при низком давлении и слой нитрида кремния толщиной 0,12+0,02 мкм пиролизом моносилана в атмосфере аммиака, проводят фотогравировку окон а первой маске под изолирующей окисел с травлением слоев нитрида кремния и поликремния.

Далее формируют вторую фоторезистивную маску с окнами под области подлегирования истоков, стоков р-канальных

МОП-транзисторов, диффузионных шин разводки, пассивной и активной базы биполярных транзисторов над областями поверхности подложки и-типа и с окнами под области подлегирования подложки и каналоограничения над областями поверхности подложки р-типа. Проводят первую ионную имплантацию бора с энергией 40 кэВ и дозой 300 мкКл/см в области подлегирования подложки, диффузионных шин и пассивной базы р+-типа проводимости через сквозные окна в нитридной и фоторезистивной масках и проводят вторую ионную имплантацию бора с энергией 100 кэВ и дозой 150 мкКл/см через окна в фоторезистивной маске сквозь слои нитрида кремния, поликремния и окисла суммарной толщиной

0,23 — 0,33 мкм в области подлегирования истоков, стоков р-типа проводимости, а области каналоограничения, примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком, и в области активной базы и-р-и биполярных транзисторов, при этом в области, защищенные трехслойной первой маской, проходит 75 — 105 мкКл/см бора, а в открытые в первой и г второй масках области подложки 430 м к Кл/см бора, Следует отметить, во-первых, с целью снижения дефектов в имплантированных бором областях подложки тонкий слой двуокиси кремния в первой маске не травился в данном примере, поэтому около 5 дозы бора, имплантированного с энергией 40 кэВ, задерживается этим окислом и, во-вторых, последовательность проведения имплантаций с малой и высокой энергиями не имеет значения а„данном способе, поэтому они проводятся с однократной загрузкой подложек в установку ионного легироаания и перестройкой энергии легирования в сторону уменьшения или увеличения после на- . бора одной из доз, После удаления фоторезистивной маски проводят термообработку подложек при

1050 С в сухом кислороде 30 с для разгонки бора а глубь подложки и окисление поверхности подложки, не защищенной маской нитрида кремния при 1000 С в течение 4 ч во влажном кислороде для формирования изолирующего окисла толщиной 0,85 мкм. В результате формируются р -области подлегирования подложки, диффузионных шин и пассивной базы биполярных транзисторов с глубиной 2 мкм и концентрацией более

5.10 1/см и р-области каналоограниче18 3 ния. подлегирования истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов и активной базы биполярных транзисторов с глубиной

1,5 мкм и концентрацией 1.101 1/см

Далее удаляют нитрид кремния, поликремний и окисел первой маски, выращивают на месте первой маски затворный диэлектрик толщиной 900 А термоокислением при 1000 С и формируют электрод затвора пиролитическим осаждением поликристаллического кремния толщиной

0,6 мкм при низком давлении с последуйщим легироаанием его фосфором диффузией из РООз в потоке газа-носителя при

900 С до Вз 20 — 30 Ом/о и фотогравировкои °

На следующем этапе Фотогравировкой по затворному окислу с последующим дифФузией Фосфора из POCb в потоке газа-носителя при 900 С формируют области истоков, стоков, подлегироаания подложки и эмиттера биполярных транзисторов.

Окисляют и+-области при температуре 900—

950 Ñ во влажном кислороде до толщины окисла 0,23 мкм, при этом над нелегированными фосфором областями подложки окисел дорастает до 0,14 мкм. Проводят ионную имплантацию бор- с энергией 40 кэВ и дозой,20 мкКл/смг для формирования самосовмещенных с затвором областей истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов без использования фотомаскироаания, + а результате чего в области и -истоков. стоков попадает 2 мкКл/см бора, что не окаг зывает заметного влияния на их характеристики.

На последнем этапе осаждают слой межуроаней изоляции — фосфорно-силикатного стекла — то щиной 1,7 мкм, проводят

1098456 термообработку ФСС для оплавления при

9000С, при этом окончательно формируются области истоков, стоков и-канальных МОПтранзисторов и эмиттера биполярных транзисторов на глубину 1,0 мкм, и, следовательно, толщина активной базы биполярных транзисторов получается 0,5 мкм, что дает возможность получить биполярные транзисторы с хорошими частотными характеристиками. Проводят фотогравировку окон под омические контакты, осаждают на подложку слой алюминия, легированный кремнием вакуумным распылением алюминия и кремния, проводят фотогравировку алюминиевой разводки, осаждают слой защитного фосфорно-силикатного стекла и проводят фотогравировку контактных площадок.

Изготовленные согласно приведенному примеру тестовые ИС имели следующие ха рактеристики элементов:

Пороговые напряжения МОП-транзисторов, В и-канальных 1,6 р-канальных д, 1,3

Напряжения пробоя сток-подложка, В и+-CT0KOB 13 р-стоков 30

Напряжение смыкания исток-сток для транзисторов с 3,5 мкм шириной затвора на пластине, В и-канальных 15 р-канальных > 15

Пороговое. напряжение параэитного иканального элемента с поликремниевым затвором под изолирующим диэлектриком, В по поверхности р+-каналоограничительных областей -> 80 по поверхности дополнительных каналоограничительных областей 40

Время задержки и произведение задержки на потребляемую инвертором мощность на частоте до 9 M Гц для инверторов с

3,5 мкм шириной затвора транзисторов на пластине и отношением ширины канала к длине 2 время задержки, нс/инвертор 2-4 произведение задержки на потребляемую инвертором мощность, пДж/инвертор 0,05

5 Сдвиг пороговых напряжений тестовых и-М00-транзисторов после термополевых испытаний (2 ч при 180 С). В для рабочих транзисторов не более 0,1-0,2

10 для паразитных и-МОП-транзисторов не более 0,5

Коэффициент усиления биполярных и-ри-транзисторов

15 при 0кэ - 5 В, J> = 10 мА более 30

Плотность размещения элементов с учетом шин разводки по кольцевому генератору, инверторов/мм до 800

Из приведенных характеристик видно, 20 что предлагаемый способ изготовления КМОП ИС, включающий всего 8 этапов фотомаскирования, позволяет реализовать в одном кристалле К-МОП структуры с высокими и стабильными пороговыми напряже25 ниями паразитных. МОП элементов, обуславливающими их повышенную надежность, и одновременно с высоким быстродействием и низким потреблением мощности, обусловленными малыми емко30 стями структур, а также - биполярные транзисторы с вертикальной р-структурой.

Аналогично биполярным транзисторам предложенный способ позволяет реализовать j = FET структуры с вертикальным кана35 лом п-типа, что представляет расширенные возможности для изготовления высококачественных аналоговых и аналого-цифровых

ИС по данному способу.

Необходимо отметить, что предлагае40 мый способ изготовления К-МОП ИС приго.ден для изготовления К-MOC ИС в низколегированной подложке р-типа, что дает возможность повысить быстродействие К-МОД ИС и изготавливать биполярные

45 транзисторы с изолированными р-и переходом коллекторами.

1098456

Составитель В.Долгополов

Редактор О.Кузнецова Техред M.Mîðãeíòàë Корректор Н.Милюкова

Заказ 1955 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101