Устройство полевого моп-транзистора и способ его изготовления
Использование: для изготовления полевых транзисторов со структурой металл - оксид - полупроводник. Сущность изобретения: устройство с коротким каналом для регулирования электрического тока содержит полупроводниковую подложку, в которой сформирован канал. Концентрация легирующих примесей канала значительно изменяется в вертикальном направлении и является, по существу, постоянной в продольном направлении. Электроды затвора, истока и стока выполнены на полупроводниковой подложке так, что длина канала меньше или равна 100 нм. По меньшей мере один из электродов истока и стока образует контакт в виде барьера Шотки. Предложен способ изготовления данного устройства. Техническим результатом изобретения является создание устройства с меньшей стоимостью, более высокими параметрами и лучшими допусками, чем позволяют современные технологии изготовления, сокращение паразитных биполярных воздействий, уменьшая тем самым вероятность “защелкивания”, обеспечение повышенной степени стойкости к радиации. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в целом к области полевых транзисторов со структурой метал - оксид - полупроводник (полевых МОП-транзисторов) и имеет специальное применение для изготовления этих устройств в составе интегральной схемы.
Уровень техники
Со времени изобретения транзистора в конце 40-х годов в области микроэлектроники достигнут колоссальный успех. Современная технология обеспечивает экономически выгодное изготовление интегральных схем с более чем 100 миллионами компонентов - и все это на кусочке кремния со стороной около 10 мм. В ближайшие несколько лет будут доступны интегральные схемы с одним миллиардом транзисторов. Желание обеспечить более широкие функциональные возможности и лучшие параметры при меньшей стоимости интегральных схем привело к нескольким направлениям развития.
Во-первых, увеличение функциональных возможностей приводит к увеличению числа транзисторов в интегральных схемах. Во-вторых, размеры транзисторов уменьшаются для обеспечения большей плотности размещения и, что очень важно, для улучшения их параметров. Основным параметром полевых МОП-транзисторов (что является доминирующей технологией в настоящее время) является длина канала. Длина (L) канала является расстоянием, которое должны проходить носители заряда для прохождения через устройство, и уменьшение этой длины одновременно означает более высокие токи, уменьшенные паразитные сопротивления и улучшенные высокочастотные характеристики. Обобщенным коэффициентом качества является произведение мощности на задержку, и этот обобщенный параметр транзистора улучшается обратно пропорционально третьей степени длины L канала (1/L3). Это объясняет стремление изготовителей интегральных схем уменьшить длину канала, насколько это позволяют производственные возможности.
При цифровом применении МОП-транзисторы ведут себя как переключатели. Когда они "включены", то они пропускают относительно большое количество тока, а когда они "выключены", то они характеризуются определенной величиной тока утечки. При уменьшении длины каналов увеличиваются управляющие токи, что является преимущественным для параметров схем. Однако увеличиваются также токи утечки. Утечка в транзисторах приводит к рассеянию мощности в статическом режиме (рассеиваемая интегральной схемой мощность в режиме холостого хода) и в экстремальных случаях может воздействовать на передачу двоичной информации во время активной работы. Поэтому разработчики устройств стараются удерживать низкими токи утечки при уменьшении длины канала.
Токами утечки МОП-транзисторов обычно управляют путем введения контролируемого количества примесей (легирующих примесей) в зону канала устройства и посредством профилирования продольного и вертикального распределений легирующих примесей истока/стока. Хотя эти подходы являются эффективными для усиления потенциального барьера внутри МОП-транзисторов и тем самым для уменьшения тока утечки, они могут также приводить к уменьшению управляющего тока и к увеличению паразитной емкости - как раз тех параметров, которые должны быть улучшены при уменьшении длины канала. Кроме того, в зависимости от конкретного выполнения в процессе изготовления канала и введения примесей истока/стока с профилированным распределением может значительно изменяться стоимость изготовления. При заданной обычной конструкции и архитектуре МОП-транзисторов имеются лишь ограниченные возможности для обеспечения компромисса между управляющим током, током утечки, паразитной емкостью и сопротивлением и сложностью изготовления/стоимостью.
Данное изобретение предлагает новое соотношение между этими противоречивыми требованиями и обеспечивает создание МОП-транзисторов с характеристиками, которые недостижимы с обычной (с введением примесей) МОП-архитектурой. Использование металла для истока и стока и простой профиль равномерного ионного легирования канала обеспечивают улучшение характеристик устройства в смысле уменьшения паразитной емкости, уменьшение статистических изменений этих характеристик (в частности, при уменьшение длины канала) и уменьшениe стоимости и сложности изготовления.
Уровень техники
Профили легирования
Предыдущее поколение МОП-транзисторов основывалось на равномерных продольных и неравномерных вертикальных профилях легирования канала для управления токами утечки сток - исток. Смотри Yuan Taur "Невероятно сжимающийся транзистор", IEEE Spectrum, страницы 25 - 29 (www.spectrum.ieee.ore. ISSN 0018-9235, июль 1999). На фиг.1 показано в качестве примера обычное МОП-устройство 100 с длинным каналом, которое содержит легированный примесями исток 101, легированный примесями сток 102, обычный многоуровневый затвор 103 типа МОП и продольно равномерный профиль 104 легирования канала в подложке для обеспечения управления токами утечки исток - сток. Устройства изолированы друг от друга защитным слоем оксида 105. Такие профили легирования канала являются обычными в каналах с длиной канала примерно до 200 нанометров (нм).
Однако при уменьшении длины канала в диапазоне 100 нм в литературе указывается, что необходимы профили распределения легирующих примесей канала, которые являются неравномерными как в продольном, так и вертикальном направлениях. Как показано на фиг.2, приведенное в качестве примера МОП-устройство 200 с коротким каналом имеет некоторые элементы, которые аналогичны элементам МОП-устройства 100 с длинным каналом. Структура содержит обычные легированные примесями исток 201 и сток 202, а также обычный многоуровневый МОП-затвор 203 (ширина менее 100 нм в соответствии с длиной L канала). Кроме того, структура дополнительно содержит поверхностные, легированные примесями удлинения для электродов истока 208 и стока 209, которые используются совместно с легированием кармана (206) стока и кармана 207 истока, а также обычным легированием (204) канала для управления токами утечки от истока к стоку. Электрод (201) истока и электрод (202) стока и их соответствующие удлинения 208 и 209 (комбинация всех четырех содержит профиль легирования истока/стока) имеют одинаковую полярность легирования (N-типа или Р-типа) и имеют противоположную полярность с каналом (204) и легированными карманами 206 и 207. Защитный слой оксида 205 снова электрически изолирует устройства друг от друга.
В своей статье "Размышления о конструкции 25 нм - КМОП" (1998 IEDM Technical Digest, страница 789) Yuan Taur указывает:
"... необходим оптимизированный, продольно и вертикально неравномерный профиль легирования, называемый супер-ореолом, для управления действием короткого канала."
Аналогичное утверждение делается в IEEE Spectrum Magazine:
"... в литографии поколения 100 - 130 нм необходим оптимальный профиль, который является продольно и вертикально неравномерным (супер-ореол), для управления действием [короткого канала],"
Смотри Linda Geppert "Интегральная схема со 100 миллионами транзисторов", IEEE Spectrum, страницы 23-24 (www.spectrum.ieee.org. ISSN 0018-9235, июль 1999).
Кроме того, практически все публикации уровня техники, в которых обсуждается конструкция устройств для длины канала менее 200 нм, утверждают или подразумевают, что необходимы профили легирования канала, которые являются сильно неравномерными как в продольном, так и вертикальном направлениях, для адекватного управления токами утечки сток - исток. Например, Hargrove в своей статье "КМОП с менее 0,08 мкм с высокими параметрами с двойным оксидным слоем затвора и инверторной задержкой 9,7 пс" (1998 IEDM, страница 627) утверждает:
"Для получения оптимальных характеристик устройства необходимы сильные ореолы с поверхностными переходами".
Уровень техники является практически единогласным в утверждении, что необходимы продольно и вертикально неравномерные профили легирования и поверхностные удлинения истока/стока для адекватного управления действием короткого канала.
Ионное легирование кармана/ореола
Продольные неравномерные профили легирования канала почти исключительно вводятся после образования и размещения электрода затвора. При выполнении затвором роли маски для ионного легирования примеси того же типа, что уже имеются в подложке, вводятся в зоны канала, смежные с кромками электрода затвора с помощью ионного легирования. Как указывалось выше, это часто называют легированием "кармана" или "ореола". Смотри Yuan Taur "Невероятно сжимающийся транзистор", IEEE Spectrum, страницы 25-29 (www.spectrum.ieee.org. ISSN 0018-9235, июль 1999).
Являясь эффективным для усиления электростатического потенциального барьера между истоком и стоком (и уменьшая тем самым токи утечки), ионное легирование типа ореол/карман вместе с поверхностными удлинениями истока/стока (указанными выше профилями легирования истока/стока) усложняют процесс изготовления. Для выполнения этих стадий процесса необходимы, по меньшей мере, две дополнительные литографические операции, а также связанные с этим очистка, легирование, метрология и т.д. Поскольку литография является одним из наиболее (если не наиболее) дорогих процессов в процессе изготовления, то это означает значительное увеличение стоимости. Ионное легирование типа карман/ореол, а также поверхностные удлинения истока/стока могут также увеличивать паразитную емкость и случайные статистические изменения электрических характеристик устройства.
Профили легирования канала для МОП-устройств с коротким каналом с использованием барьера Шотки получили в уровне техники лишь ограниченное внимание. J.R. Tucker при обсуждении моделирования, выполненного с МОП-устройствами с очень короткими каналами с использованием барьера Шотки, лишь вскользь упоминает, что "... необходимо некоторое легирование зоны полупроводникового канала для подавления токов (утечки)...". Смотри J.R. Tucker, С. Wang, J.W. Lyding, Т.С. Shen, G.C. Abeln "Nanometer Scale MOSFETs and STM Patterning on Si", SSDM 1994, страницы 322 - 324; J.R. Tucker, С. Wang, P.S. Carney "Silicon Field-Effect Transistor Based on Quantum Tunneling", Applied Physics Letters, 1 августа 1994, том 65, №5, страницы 618-620. Важно отметить, что Tucker не указывает, каким образом следует действовать для осуществления легирования канала для подавления токов утечки исток-сток.
О.Т. Zhao является следующим автором, который в явном виде занимается проблемой легирования канала для управления токами утечки. Его подход (равномерное легирование подложки до довольно высоких уровней (1017/см3)) хорошо известен и не является оптимальным для устройств с коротким каналом. Хотя он является успешным для уменьшения токов утечки, он делает это за счет увеличения емкости между истоком-стоком и подложкой. Смотри Q.T. Zhao, F. Klinkhammer, M. Dolle, L. Kappius, S. Mantl "Nanometer patterning of epitaxial CoSi2/Si(100) for ultrashort channel Schottky barrier metal-oxide-semiconductor field effect transistors". Applied Physics Letters, том 74, №3, 18 января 1999, страница 454.
W. Saitoh сообщает об устройстве, выполненном на подложках SOI (“кремний на диэлектрике”), однако не сообщает в этом контексте ничего о легировании подложки. Смотри W. Saitoh, S. Yamagami, A. Itoh, M. Asada " 35 nm metal gate SOI-P-MOSFETs with PtSi Schottky source/drain". Device Research Conference, июнь 28-30, 1999, Santa Barbara, CA, Paper II.А.6, страница 30.
С. Wang упоминает использование "слоя полностью обедненных примесей под активной зоной" и "предварительное ионное легирование тонкого слоя подложки из полностью обедненных примесей" для управления токами утечки, однако не описывает профильную равномерность или отсутствие ее в профиле легирования, или же способ действий для получения "слоя". Смотри С. Wang, John P. Snyder, J. R. Tucker "Sub-40 nm PtSi Schottky source/drain P-MOSFETs", Applied Physics Letters, том 74, №8, 22 февраля 1999, страница 1174, С. Wang, John P. Snyder, J. R. Tucker "Sub-50 nm PtSi Schottky source/drain P-MOSFETs", Annual Device Research Conference Digest 1998, страницы 72-73.
Выводы
С учетом литературы о профилях легирования подложки для обычных МОП-транзисторов с коротким каналом и обзора работ по профилям легирования МОП-устройств с коротким каналом с использованием барьера Шотки данное изобретение предлагает новый и неочевидный подход, имеющий многие преимущества по сравнению с современным уровнем техники.
Задачи изобретения
В соответствии с этим задачами данного изобретения являются (среди прочего) устранение недостатков уровня техники и выполнение одной или нескольких следующих задач:
1. Создание системы и способа, обеспечивающих изготовление полевых МОП-транзисторов с короткими длинами каналов с меньшей стоимостью, более высокими параметрами и лучшими допусками, чем современные технологии изготовления.
2. Сокращение паразитных биполярных операций в интегрированных полевых МОП-транзисторах, уменьшая тем самым вероятность "защелкивания" и другого аномального поведения.
3. Создание МОП-устройств, которые при некоторых условиях имеют повышенную степень стойкости к радиации.
Хотя указанные задачи не следует понимать как ограничивающие идеи данного изобретения, эти задачи в целом решены с помощью данного изобретения, описание которого следует ниже.
Сущность изобретения
Как показано на фиг.3, приведенный в качестве примера вариант выполнения данного устройства (300) состоит просто из обычного многоуровневого МОП-затвора 303 (электрод затвора на диоксиде кремния кремниевой подложки), металлического истока 301 и/или электродов стока 302 и легирующих примесей канала 304, которые изменяются значительно в вертикальном направлении, но не в продольном направлении. Защитный слой 305 оксида электрически изолирует устройства друг от друга.
Барьеры Шотки (или подобные барьеры) 307, 308, которые существуют вдоль поверхности раздела соответствующего истока/стока 301, 302 и кремниевой подложки 306, действуют в качестве внутреннего ионного легирования кармана или ореола, не увеличивая при этом паразитной емкости. Это устраняет также необходимость в поверхностных удлинениях истока/стока, поскольку металлический исток/сток по своей природе является поверхностным и сильно проводящим. Поэтому обеспечивается значительное уменьшение сложности изготовления при одновременном устранении ионного легирования карманов/ореолов и выполнения удлинений истока/стока. Это является главным преимуществом по сравнению с МОП-устройствами с обычной архитектурой канала.
За счет атомарной резкой природы барьера Шотки и очень закономерной и воспроизводимой величины этого барьера практически исключаются два источника статистических изменений, которые являются свойственными обычным МОП-устройствам. Статистически случайная природа введения примесей с помощью ионного легирования в обычных устройствах создает значительные изменения в положении и величине легирующих примесей. Это относится как к примесям ореола/кармана, так и к примесям истока/стока. Результатом является определенное число случайных изменений параметров устройства, таких как длина L канала, управляющий ток и ток утечки. Эти изменения усложняют конструирование схем и увеличивают стоимость изготовления вследствие исключения интегральных схем, которые не соответствуют заданным параметрам. Проблема становится более сложной по мере уменьшения длины канала из-за меньшего эффективного объема кремния на каждое устройство, так что уменьшается роль усреднения для сглаживания статистических изменений.
Поскольку металлический исток/сток (который заменяет обычный легированный примесями исток/сток) имеет естественный, очень закономерный и атомарно резкий барьер 307, 308 Шотки с кремниевой подложкой 306, положение и величина которого не зависят от длины канала, и поскольку этот барьер по существу выполняет роль ионного легирования ореола/кармана (делая это ионное легирование ненужным), то по существу устраняются статистические изменения из-за случайного расположения атомов во время ионного легирования истока/стока и ореола/кармана. Этот факт сохраняется и даже больше сохраняется при уменьшении длины канала.
Другим преимуществом МОП-архитектуры с металлическим истоком/стоком является безусловное исключение паразитного биполярного усиления. Паразитное полярное усиление является прямым результатом использования противоположных типов легирующих примесей для зон истока/стока и подложки и может приводить к "защелкиванию" и другим вредным эффектам. Это делает архитектуру с металлическим истоком/стоком идеальной для (среди прочего) условий сильной радиации.
Общие преимущества
Данное изобретение обеспечивает в целом следующие преимущества по сравнению с уровнем техники:
1. Уменьшение сложности изготовления. Ионное легирование карманов/ореолов и поверхностные удлинения истока/стока не требуются.
2. Уменьшение емкости вследствие отсутствия ионного легирования карманов/ореолов.
3. Уменьшение случайных/статистических изменений электрических характеристик устройства вследствие отсутствия ионного легирования карманов/ореолов и удлинений истока/стока и использования металла для истока и стока.
4. Безусловное устранение паразитного биполярного усиления и связанного с ним "защелкивания".
5. Увеличение стойкости к радиации по сравнению с обычными МОП-структурами.
Приведенный выше перечень преимуществ не следует интерпретировать как ограничение объема данного изобретения. Однако для специалистов в данной области техники очевидно множество возможностей применения идей данного изобретения на основе указанного перечня общих преимуществ.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания преимуществ, обеспечиваемых данным изобретением, ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает устройство с легированными истоком/стоком, с длинным каналом, согласно уровню техники;
фиг.2 - устройство с легированными истоком/стоком, с коротким каналом, с ионным легированием карманов и поверхностными удлинениями истока/стока, согласно уровню техники;
фиг.3 - пример выполнения данного изобретения применительно к устройству с металлическим истоком/стоком, с коротким каналом, без ионного легирования карманов;
фиг.4 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с использованием легированной кремниевой подложки с защитным слоем оксида примерно 200 
;
фиг.5 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с использованием снабженной топологическим рисунком, локально легированной кремниевой пленки на тонком слое оксида затвора;
фиг.6 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с использованием образования тонких оксидных боковых стенок и вскрытия кремния в зонах затвора, истока и стока;
фиг.7 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с использованием осаждения металла и отжига;
фиг.8 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с использованием удаления не вступившего в реакцию металла с боковых стенок;
фиг.9 - схему выполнения стадии процесса изготовления, согласно данному изобретению, с получением конечной структуры. Для устройства N-типа используются кремний, локально легированный фосфором, ионное легирование канала силицидом эрбия и индием для электрода затвора, электродов истока/стока и канала, соответственно. В устройствах Р-типа используются локально легированный бором кремний и ионное легирование силицидом платины и мышьяком. Концентрации легирующих примесей канала сильно изменяются в вертикальном направлении, но не в продольном направлении. Длина затвора составляет обычно менее 100 нм, но может быть и длиннее;
фиг.10 - общую блок-схему способа изготовления устройств с канальными полевыми МОП-транзисторами высокого качества;
фиг.11 - подробную блок-схему способа изготовления устройств с канальными полевыми МОП-транзисторами высокого качества.
Описание предпочтительных в настоящее время примеров выполнения
Хотя для данного изобретения возможны разные варианты выполнения, на фигурах показан и подробно описан предпочтительный вариант выполнения изобретения.
Определения
Во всем описании данной заявки используются следующие определения:
Блоки системы/стадии процесса без ограничительного характера
Данное изобретение удобно описывать с использованием примеров блок-схем системы и блок-схем способа. Хотя эти элементы достаточны для сообщения специалистам в данной области техники идей данного изобретения, их не следует понимать как ограничивающие объем данного изобретения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что блок-схемы системы можно комбинировать и располагать по-другому без потери общего характера, и могут быть добавлены или сокращены стадии способа для достижения того же эффекта без потери общей идеи изобретения. Таким образом, следует понимать, что данное изобретение, как оно показано в прилагаемых блок-схемах системы и блок-схемах способа, служит только для целей объяснения идеи изобретения и может быть переработано специалистом в данной области техники в зависимости от цели применения.
Заданные зоны
Во всем последующем описании под "заданной зоной" понимается зона, расположенная в центре главной части активного устройства (полевого МОП-транзистора). Таким образом, все стадии процесса, упоминаемые в связи с полевым МОП-транзистором, служат для создания затвора, истока/стока и/или профилей легирования канала, а также других структур вблизи главной части активного устройства. Данное изобретение не накладывает никаких ограничений на то, что происходит вдали от главной части активного устройства.
Следует отметить, что, хотя заданная зона в целом относится к полевому МОП-устройству, это ни в коей мере не ограничивает объем изобретения. Для специалистов в данной области техники понятно, что любое устройство, способное регулировать прохождение электрического тока, можно рассматривать как имеющее заданную зону вблизи зоны, активно пропускающей ток.
Полевой МОП-транзистор без ограничительного характера
Данное изобретение особенно пригодно для использования в полевых полупроводниковых МОП-устройствах, однако использование идей данного изобретения не ограничено этим частным применением. Идеи данного изобретения применимы для других полупроводниковых устройств, интегрированных или нет. Таким образом, хотя в данном описании речь идет о полевых МОП-устройствах, это понятие необходимо интерпретировать широко с включением любого устройства, способного регулировать прохождение электрического тока, имеющего проводящий канал, который имеет две или более точек электрического контакта.
Длина канала без ограничительного характера
Данное изобретение особенно пригодно для изготовления полевых МОП-транзисторов с короткой длиной канала, в частности в диапазоне длин каналов менее 100 нм. Однако ничто в идеях данного изобретения не ограничивает применение идей данного изобретения этими устройствами с короткой длиной канала. Идеи данного изобретения можно с преимуществом использовать для каналов с любой длиной.
Легирующие примеси без ограничительного характера
В данном описании приведены примеры с использованием разных технологий легирования при изготовлении полевых МОП-устройств. Эти легирования являются лишь иллюстрацией частного варианта выполнения данного изобретения, и их не следует понимать как ограничивающие объем идей данного изобретения.
Однако необходимо отметить, что в данном изобретении специально используются атомы примесей, выбранных из группы, состоящей из мышьяка, фосфора, сурьмы, бора, индия и/или галлия, как входящих в объем идей данного изобретения.
Тип устройства без ограничительного характера
Для специалистов в данной области техники понятно, что данное изобретение не ограничивается устройствами N-типа или Р-типа и может использоваться с любым из них или с обоими.
Исток/сток без ограничительного характера
В описании приводятся примеры выполнения, в которых делаются ссылки на соединения истока или стока в связи с изготовлением полевого МОП-устройства. Для специалистов в данной области техники понятно, что в любой данной МОП-конфигурации можно поменять элементы, окружающие эти контакты, без потери общей идеи изобретения, так что исток можно заменять стоком, не выходя при этом за объем данного изобретения. Дополнительно к этому, для специалистов в данной области техники понятно, что хотя многие предпочтительные варианты выполнения
данного изобретения можно использовать для изготовления соединений как истока, так и стока, то на практике это не обязательно.
Металлы без ограничительного характера
В данном описании приводятся примеры выполнения изобретения со ссылками на металлы в связи с изготовлением полевых МОП-устройств. Данное изобретение не имеет ограничений в отношении типов металлов, используемых для реализации идей данного изобретения. Таким образом, предполагается использование обычно используемых металлов для транзисторов, таких как титан, кобальт и т.п. Ничто в описании не ограничивает использование данного изобретения каким-либо частным металлом или сплавом. Для специалистов в данной области техники понятно, что можно использовать любой проводящий соединительный материал без утраты общего характера реализации идей данного изобретения.
Однако необходимо отметить, что в данном изобретении, в частности, предполагается использование электродов истока/стока, выполненных из материала, выбранного из группы, состоящей из силицида платины, силицида палладия, силицида иридия и/или силицидов редкоземельных металлов, как находящихся в объеме идей данного изобретения.
Барьер Шотки без ограничительного характера
В данном описании приводятся примеры выполнения, в которых делаются ссылки на барьер Шотки и подобные контакты в связи с изготовлением интегральных схем. Данное изобретение не признает ограничений в отношении типов сопряжений Шотки, используемых для реализации идей данного изобретения. Таким образом, в данном изобретении возможно создание этих типов сопряжении с любой формой проводящего материала.
Дополнительно к этому, хотя обычные барьеры Шотки являются обрывистыми, данное изобретение предполагает, в частности, использование при некоторых обстоятельствах промежуточного слоя между кремниевой подложкой и используемым металлом барьера Шотки. Таким образом, данное изобретение предполагает, в частности, использование переходов, подобных барьеру Шотки и их эквивалентов при реализации данного изобретения. Кроме того, промежуточный слой может содержать материалы, которые имеют проводящие, полупроводниковые и/или изолирующие свойства.
Технология травления без ограничительного характера
В данном описании приведены примеры выполнения, в которых делаются ссылки на различные технологии травления, используемые для удаления оксида и/или металла в процессе изготовления интегральных схем. Данное изобретение не ставит ограничений в отношении типа технологии травления для достижения результатов, показанных в графических схемах выполнения процессов. Эти технологии хорошо известны из уровня техники.
Процесс/способ
Одна возможная блок-схема процесса изготовления МОП-устройства 400 с ионно легированным коротким каналом (менее 100 нм), с металлическим истоком/стоком показана на фиг.4-9. Эту блок-схему процесса можно описать следующим образом:
1. Как показано на фиг.4, на кремниевой подложке 402, которая имеет средства для электрической изоляции транзисторов друг от друга, наращивают тонкий защитный слой оксида 401 (примерно 200 Е) в качестве маски для ионного легирования. Затем через защитный слой оксида на определенную глубину в кремний (примерно 1000 Е) выполняют ионное легирование подходящими элементами 403 примесей канала (например, мышьяк и индий для Р-типа и N-типа проводимостей соответственно).
2. Как показано на фиг.5, затем удаляют защитный слой оксида с помощью фтористоводородной кислоты и наращивают тонкий слой оксида 501 затвора (примерно 35 Е). За наращиванием оксида затвора непосредственно следует локально легированная пленка кремния. Пленка сильно легирована, например, фосфором для устройства N-типа и бором для устройства Р-типа. С использованием литографической техники и травления кремния, которое является сильно избирательным для оксида, выполняют электрод затвора 502, как показано на стадии 500 процесса на фиг.5.
3. Затем наращивают тонкий слой оксида (примерно 100 Е) на верхнюю поверхность и боковые стенки кремниевого электрода затвора. Как показано на фиг.6, затем используют анизотропное травление для удаления слоев оксида с горизонтальных поверхностей (и тем самым открывая кремний 601), одновременно сохраняя их на вертикальных поверхностях. Таким образом, создают оксид 602 на боковых стенках и электрически активируют примеси как в электроде затвора, так и в зоне канала устройства, как показано на стадии 600 процесса на фиг.6.
4. Как показано на фиг.7, конечная стадия содержит осаждение соответствующего металла (например, платины для устройства Р-типа и эрбия для устройства N-типа) в виде покрывающей пленки (примерно 400 Е) на всех открытых поверхностях. Затем заготовку подвергают отжигу в течение заданного времени при заданной температуре (например, 400°С в течение 45 минут), так что во всех местах, где метал находится в непосредственном контакте с кремнием, происходит реакция, которая преобразует метал в силицид 701 металла. Металл, который находится в непосредственном контакте с некремниевой поверхностью 702, остается без изменения, как показано на стадии 700 на фиг.7.
5. Затем используют жидкостное химическое травление (царская водка для платины, НNО3 для эрбия) для удаления не участвующего в реакции металла при одновременном оставлении нетронутым силицида металла. После ионного легирования канала получают готовое МОП-устройство с коротким каналом с использованием барьера Шотки, и оно готово для электрического контактирования затвора, истока и стока, как показано на стадии 800 на фиг.8.
Этот процесс является одним из возможных путей для создания МОП-устройств с ионно легированным каналом, металлическим истоком/стоком с барьером Шотки. Для специалистов в данной области техники понятно, что существуют другие варианты и альтернативные решения.
Устройство/система
На фиг.9 показан предпочтительный пример выполнения изобретения в виде двух окончательных комплементарных полевых МОП-структур 900. Этот вариант выполнения состоит из устройства 904 с N-каналом, изготовленным с применением силицида эрбия в зонах истока/стока, и устройства 905 с Р-каналом, изготовленным с помощью силицида платины.
Изменяющиеся по вертикали, но не изменяющиеся продольно слои индия 902 и мышьяка 903 используются в качестве легирующих примесей для устройств с N-каналом и Р-каналом соответственно. Эти атомы примесей используются из-за их относительно небольших скоростей диффузии через кристаллическую решетку кремния (по сравнению с фосфором и бором, как двумя возможными легирующими примесями для канала). Это обеспечивает больший тепловой баланс во время изготовления устройства и поэтому меньшие статистические изменения характеристик готового изделия.
Электроды затвора изготавливают из локально легированной фосфором и бором поликремневой пленки для устройств N-типа 906 и Р-типа 907 соответственно. В данном примере используют фосфор и бор из-за их большой растворимости в твердой фазе (по сравнению с мышьяком и индием). Электроды легируют с использованием способа локального легирования, при этом атомы примесей наносятся в то же время, что и атомы кремния. Такой способ обеспечивает очень высокие концентрации легирующих примесей (примерно 1021/см3) и равномерное распределение по толщине пленки. Другой возможностью для легирования кремния затвора является ионное легирование. Этот способ имеет несколько практических проблем, включая повреждение заряда тонкого оксида затвора и необходимость повторного распределения сильно неравномерных ионно легированных примесей затвора для обеспечения высокого уровня легирования на поверхности соприкосновения оксида затвора.
Электроды 906 и 907 затвора имеют ширину менее 100 нм (в соответствии с длиной L канала), так что в этом режиме становятся очевидными преимущества архитектуры с использованием барьера Шотки по сравнению с обычной архитектурой. Это включает упрощенную обработку за счет отсутствия необходимости в ионном легировании карманов и, как результат, уменьшения потерь усиления, емкости и статистических изменений в готовых изделиях.
Устройства отделены друг от друга с помощью наращиваемого тепловым способом оксида 901 (называемого защитным слоем оксида), который работает в соединении с легирующими примесями канала для электрической изоляции устройств друг от друга.
Хотя приведенное выше описание содержит много специальных элементов, их нельзя рассматривать как ограничение объема изобретения, а лишь в качестве примеров предпочтительного варианта выполнения. Для специалистов в данной области техники понятно, что возможны многие другие вариации. Например, имеется множество возможных кандидатов в качестве металла истока/стока. Может быть также предпочтительным введение тонкого слоя оксида между металлом и кремниевой подложкой. Сама кремниевая подложка может быть заменена любым из многочисленных других полупроводников. Дополнительно к этому, границы между слоями и элементами можно всегда выравнивать или прокладывать другими материалами или промежуточными веществами для улучшения параметров.
Обобщенный процесс/система изготовления
На основании предшествующего описания можно дополнительно обобщить процесс и систему согласно данному изобретению, как показано с помощью блок-схемы на фиг.10 - 11.
Обобщенный процесс/система
Как показано на фиг.10, приведенный в качестве примера обобщенный процесс 1000 изготовления полевого МОП-устройства выполняют на полупроводниковой подложке, имеющей средства для электрической изоляции транзисторов (стадия 1000). В эту подложку вводят легирующие присадки канала так, что концентрация примесей значительно изменяется в вертикальном направлении, но не в продольном направлении (стадия 1002). После завершения этой стадии формируют электрод затвора (стадия 1003) на кремниевой подложке. Наконец, формируют электроды истока и/или стока, по меньшей мере, один из которых содержит барьер Шотки или подобный барьеру Шотки контакт с кремниевой подложкой (стадия 1004).
Подробный процесс/система
Как показано на фиг.11, приведенный в качестве примера обобщенный процесс 1100 изготовления полевого МОП-устройства выполняют на полупроводниковой подложке, имеющей средства для электрической изоляции транзисторов (стадия 1101). В эту подложку вводят легирующие примеси канала так, что концентрация примесей значительно изменяется в вертикальном направлении, но не в продольном направлении (стадия 1102). После завершения этой стадии формируют изоляцию электрода затвора путем наращивания тонкого слоя изоляции затвора и осаждения проводящей пленки (стадия 1103) на кремниевой подложке.
В это время выполняют ряд операций по нанесению топологического рисунка и травлению с целью формирования электрода затвора (стадия 1104). Затем формируют один или более тонких изолирующих слоев на одной или более боковых стенках электрода затвора для избирательного вскрытия кремниевой подложки в активных зонах устройства за исключением боковых стенок (стадия 1105). На все поверхности устройства наносят тонкую пленку металла (стадия 1106), и устройство подвергают отжигу для формирования сплава металла с полупроводником на открытых поверхностях полупроводника (стадия 1107). Наконец, не вступивший в реакцию металл удаляют из устройства, оставляя без изменения сплав металл-полупроводник для создания местных соединений для сформированного устройства (стадия 1108).
Выводы
По существу, данное изобретение характеризуется тем, что основная структура является структурой, в которой подложка между истоком и стоком равномерно легирована примесями в продольном направлении, неравномерно легирована в вертикальном направлении и при этом электроды истока и/или стока образуют контакты в виде барьера Шотки или подобных барьеров с подложкой.
Раскрыты структура МОП-устройства с короткой длиной канала, латерально равномерно легированным примесями каналом, металлическими истоком и стоком и способ его изготовления. Данное изобретение обеспечивает множество преимуществ по сравнению с уровнем техники, включая меньшую стоимость изготовления, более высокие характеристики устройства и более точное управление параметрами устройства. Эти преимущества обеспечиваются прежде всего за счет введения профиля легирования канала, который является равномерным в продольном направлении и неравномерным в вертикальном направлении, в соединении с металлическими зонами истока/стока, что устраняет необходимость ионного легирования ореолов/карманов и поверхностных удлинений истока/стока. Также устраняется паразитное биполярное усиление.
Эти признаки изобретения делают его пригодным для множества применений, в частности, в условиях высокой частоты и/или сильной радиации.
1. Способ изготовления устройства с коротким каналом для регулирования прохождения электрического тока, содержащий введение легирующих примесей канала в полупроводниковую подложку так, что концентрация легирующих примесей значительно изменяется в вертикальном направлении и является, по существу, постоянной в продольном направлении, создание электрода затвора на поверхности полупроводниковой подложки, создание электрода истока и электрода стока на полупроводниковой подложке, так что длина канала меньше или равна 100 нм, при этом, по меньшей мере, один из электродов истока и стока образует контакт в виде барьера Шотки или подобного барьера с полупроводниковой подложкой.
2. Способ изготовления устройства с коротким каналом по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит вскрытие полупроводниковой подложки в одной или более зонах вблизи электрода затвора, осаждение тонкой пленки металла, реакцию металла с открытой полупроводниковой подложкой, так что формируются электрод истока и электрод стока в виде барьера Шотки или подобного барьера на полупроводниковой подложке, разделенные каналом длиной не более 100 нм.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что создание электрода затвора содержит стадии, включающие создание тонкого изолирующего слоя на полупроводниковой подложке, осаждение тонкой проводящей пленки на изолирующем слое, нанесение топологического рисунка и травление проводящей пленки для формирования электрода затвора, формирование, по меньшей мере, одного тонкого изолирующего слоя на, по меньшей мере, боковой стенке электрода затвора.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно содержит удаление не вступившего в реакцию металла после формирования электродов истока и стока в виде барьера Шотки или подобного барьера.
5. Способ по любому из п.п.2, 3 или 4, отличающийся тем, что стадию реакции выполняют в виде термического отжига.
6. Способ по любому из п.п.1-5, отличающийся тем, что создают электроды истока и стока, так что подложка имеет концентрацию легирующих примесей, значительно изменяющуюся в вертикальном направлении и, по существу, постоянную в продольном направлении.
7. Способ по любому из п.п.1-6, отличающийся тем, что электрод истока и электрод стока формируют из элемента, выбранного из группы, включающей силицид платины, силицид палладия и силицид иридия, при этом легирующие примеси канала выбирают из группы, включающей мышьяк, фосфор и сурьму.
8. Способ по любому из п.п.1-6, отличающийся тем, что электрод истока и электрод стока формируют из группы элементов, включающей силициды редкоземельных элементов, при этом легирующие примеси канала выбирают из группы, включающей бор, индий и галлий.
9. Способ по любому из п.п.1-8, отличающийся тем, что электрод затвора имеет длину, не превышающую 100 нм.
10. Способ по любому из п.п.1-9, отличающийся тем, что контакт в виде барьера Шотки или подобного барьера образуют, по меньшей мере, в зонах, смежных с каналом.
11. Способ по любому из п.п.1-10, отличающийся тем, что вся поверхность, по меньшей мере, одного из электродов истока и стока образует контакт в виде барьера Шотки или подобного барьера Шотки с полупроводниковой подложкой.
12. Способ по любому из п.п.1-11, отличающийся тем, что создают электрод затвора после завершения легирования канала.
13. Способ по любому из п.п.1-12, отличающийся тем, что легирующие примеси канала вводят на одной стадии процесса.
14. Способ по любому из п.п.1-13, отличающийся тем, что посредством него создают устройство с коротким каналом, содержащее полевой МОП-транзистор.
15. Устройство с коротким каналом для регулирования электрического тока, содержащее
легирующие примеси канала в полупроводниковой подложке, концентрация которых значительно изменяется в вертикальном направлении и является, по существу, постоянной в продольном направлении,
электрод затвора, выполненный на полупроводниковой подложке, и электрод истока и электрод стока, выполненные на полупроводниковой подложке, так что длина канала меньше или равна 100 нм, при этом, по меньшей мере, один из электродов истока и стока образует контакт в виде барьера Шотки или подобного барьера с полупроводниковой подложкой.
16. Устройство с коротким каналом по п.15, отличающееся тем, что электрод истока и электрод стока на полупроводниковой подложке сформированы посредством реакции металла с полупроводниковой подложкой.
17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что электрод затвора содержит
тонкий изолирующий слой на полупроводниковой подложке,
тонкую проводящую пленку на изолирующем слое и,
по меньшей мере, один тонкий изолирующий слой на, по меньшей
мере, одной боковой стенке электрода затвора.
18. Устройство по любому из п.п.15, 16 или 17, отличающееся тем, что электрод истока и электрод стока сформированы из элемента, выбранного из группы, включающей силицид платины, силицид палладия и силицид иридия, при этом легирующие примеси канала выбраны из группы, включающей мышьяк, фосфор и сурьму.
19. Устройство по любому из п.п.15, 16 или 17, отличающееся тем, что электрод истока и электрод стока сформированы из элемента, выбранного из группы, включающей силициды редкоземельных элементов, при этом легирующие примеси канала выбраны из группы, включающей бор, индий и галий.
20. Устройство по любому из п.п.15-19, отличающееся тем, что электрод затвора имеет длину, не превышающую 100 нм.
21. Устройство по любому из п.п.15-20, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из электродов истока или стока образует контакт в виде барьера Шотки или подробного барьера с полупроводниковой подложкой, по меньшей мере, в зонах, смежных с каналом.
22. Устройство по любому из п.п.15-20, отличающееся тем, что вся поверхность соприкосновения между, по меньшей мере, одним из электродов истока и стока образует зону в виде барьера Шотки или подобного барьера с полупроводниковой подложкой.
23. Устройство по любому из п.п.15-22, отличающееся тем, что содержит полевой МОП-транзистор с короткой длиной канала.
