МАТРИЦА КНИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Российский патент 1994 года по МПК H01L27/105 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для создания высококачественных полупроводниковых приборов, в частности, матричных МДП-транзисторов и интегральных схем (ИС) на их основе, включая многослойные, со структурами кремний - на изоляторе (КНИ).

Известна конструкция КНИ МДП-прибора [1] , состоящая из монокристаллической кремниевой подложки со сформированными на ней слоями окисла кремния и поликристаллического кремния, рекристаллизованного лазерным излучением с применением затравливания от монокристаллической подложки, толщиной 0,5 мкм, в которой сформированы МДП-транзисторы.

Существенным недостатком данной конструкции является нестабильность рабочих характеристик, в том числе "кинк-эффект" характеристик, обусловленные наличием "плавающей подложки", а также трудность в управлении пороговым напряжением.

Наиболее близким техническим решением является матрица КНИ МДП-транзисторов, содержащая монокристаллическую кремниевую подложку с последовательно сформированными на ней слоями изолирующего окисла, рекристаллизованного поликремния и содержащая чередующиеся в шахматном порядке области стоков и истоков транзисторов, слои подзатворного диэлектрика и затворов матричной конфигурации, при этом рекристаллизованный поликремний соединен с подложкой посредством контактной области [2] .

Недостатками известного устройства являются невозможность управления кинк-эффектом из-за отсутствия контактов подканальных областей транзисторов с кремниевой подложкой, жесткая привязка топологии устройства к направлению границ зерен, что ограничивает область применения таких устройств.

Поставленная цель достигается тем, что в матрице КНИ МДП-транзисторов, содержащей монокристаллическую кремниевую подложку с последовательно сформированными на ней слоями изолирующего окисла, рекристаллизованного поликремния и содержащей чередующиеся в шахматном порядке области стоков и истоков транзисторов, слои подзатворного диэлектрика и затворов матричной конфигурации, при этом рекристаллизованный поликремний соединен с подложкой посредством контактной области, контактные области расположены равномерно под пересечением участков затворов матричной конфигурации, при этом фигуры контактных областей вписываются в фигуры пересечения участков затвора.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез структуры элемента матричного транзистора; на фиг. 2 - топология матрицы КНИ МДП-транзистора; на фиг. 3 - увеличенный фpагмент А топологии согласно фиг. 2, где: монокристаллическая кремниевая подложка 1, изолирующий слой окисла 2, контакт 3 рекристаллизованного поликремния к подложке, рекристаллизованный поликремний 4, стоковые или истоковые 5 области транзистора, подзатворный диэлектрик 6, поликремниевый затвор 7, межслойная изоляция 8, контактные окна 9 в межслойной изоляции к сток-истоковым областям и затвору транзистора, алюминиевая шина 10 стока, алюминиевая шина 11 затвора, алюминиевая шина 12 истока.

Матрица КНИ МДП-транзисторов состоит из монокристаллической кремниевой подложки 1 с последовательно сформированными на ней слоями изолирующего окисла 2, рекристаллизованного поликремния 4, содержащего чередующиеся в шахматном порядке области стока и истока 5, слоями подзатворного диэлектрика 6 и поликремниевого затвора 7 матричной конфигурации, при этом рекристаллизованный поликремний имеет контакт 3 с подложкой 1, расположенный на пересечениях участков затвора матричной конфигурации. Контакт 3 выполнен в виде квадрата, вписанного в фигуру пересечения участков затвора, размер стороны квадрата меньшим минимальной стороны фигуры пересечения. Контакты 3 рекристаллизованного поликремния с подложкой расположены равномерно по площади матричного КНИ МДП-транзистора.

Матричный КНИ МДП-транзистор работает следующим образом. При подаче на затвор 7 n-канального матричного КНИ МДП-транзистора положительного напряжения относительно истока 5 образуется инверсный слой (канал) между сильнолегированными областями стока и истока транзистора, а при подаче на сток транзистора положительного напряжения относительно истока между ними начнет протекать ток стока, создаваемый в канале электронами. При подаче отрицательного напряжения смещения на подложку 1 структуры дырки из подканальной области будут отведены в подложку. Таким образом, имеется возможность устранить "кинк-эффект", вызываемый накоплением дырок в подканальной области транзистора, и управлять пороговым напряжением прибора.

Следует отметить отличительное по сравнению с прототипом выполнение контакта 3 рекристаллизованного поликремния с подложкой. Контакт 3 расположен на пересечении двух участков затвора матричной конфигурации (фиг. 2,3), т. е. в "узлах" затвора. Канал и подканальная область в рекристаллизованном поликремнии транзистора расположены как над диэлектриком, так и над окном контакта к подложке. При подаче напряжения между сток-истоковыми областями электрическое поле будет направлено от стока к истоку, как показано стрелками на фиг. 3. Напряженностью этого поля и будет определяться ток стока транзистора. В подзатворной области транзистора, расположенной под пересечением участков затвора (в "узлах"), т. е. над зоной контакта рекристаллизованного поликремния с подложкой, суммарное электрическое поле, создаваемое напряжением между сток-истоковыми областями будет равно нулю, как поле между эквипотенциальными областями сток-сток, исток-исток одного и того же транзистора. Таким образом, рабочая область настоящего транзистора полностью расположена над диэлектриком, в отличие от прототипа, где рабочая область расположена над токопроводящей дорожкой. Дефектность, вносимая электропроводящей дорожкой при рекристаллизации поликремния, не будет влиять на электрические характеристики матричного КНИ МДП-транзистора, так как локализована вне рабочих областей прибора. В этой зоне ток стока протекать не будет, и не будет его составляющей в суммарной величине тока стока; поэтому именно в этом месте предлагается создавать контакт рекристаллизованного поликремния с подложкой, который является только стоком для неосновных носителей (дырок) из подканальной области транзистора.

Выполнение контакта 3 в виде квадрата, вписанного в фигуру, образованную пересечением участков затвора матричной конфигурации, с размером стороны, меньшим минимальной стороны фигуры пересечения, полностью исключает возможность смыкания сток-истоковых областей.

Равномерное расположение контактов 3 рекристаллизованного поликремния с подложкой по площади матричного КНИ МДП-транзистора является необходимым для эффективного отвода неосновных носителей заряда в подложку.

П р и м е р. Изготовлен и опробован матричный КНИ МДП-транзистор согласно предлагаемому изобретению.

В качестве монокристаллической кремниевой подложки 1 использована кремниевая пластина типа КДБ-80 ориентации (100). На пластину наносили вспомогательные технологические пленки SiO₂ +Si₃N₄ толщиной 0,1 + 0,1 мкм. После проведения фотолитографии и стравливания вспомогательных пленок был получен рисунок в виде квадратных масок размером 2 х 2 мкм²в местах будущих контактов 3 к рекристаллизованному поликремнию. После плазмохимического травления кремния в незащищенных масками местах на глубину 0,5 мкм пластина термически окислялась до получения толщины пленки SiO₂+ Si₃N₄ и освежали плазмохимическим травлением поверхность контактов 3. Методом pазложения моносилана в реакторе пониженного давления при Т 625^оС был нанесен слой поликремния 4 толщиной 0,5 мкм. Рекристаллизация поликремния проводилась через жидкую фазу путем сканирования лазерного пятна по поверхности пластины при плотности мощности излучения 120 кВт/см². Лазерной обработке предшествовали отжиг пластины в среде азота при Т 1200^оС для улучшения качества рекристаллизуемой пленки и нанесение покрытий SiO₂ толщиной 0,6 мкм и Si₃N₄ толщиной 0,1 мкм. После лазерной обработки и снятия вспомогательных покрытий пленка рекристаллизованного поликремния утоньшалась до толщины 0,15 мкм. Термическим окисление формировали слой подзатворного диэлектрика 6 толщиной 500 . Поликремниевый затвор 7 осаждали методом, аналогичным осаждению предыдущего слоя поликремния, толщина затворного поликремния 0,5 мкм. Для обеспечения требуемой проводимости затворного поликремния проводилась диффузия фосфора из РОСl₃ при Т = 950-1000^оС в течение 10 мин. Удельное сопротивление затворного поликремния составляло 30 Ом/м. Формирование затвора 7, областей стока и истока 5 проводили путем фотолитографии, плазмохимического травления поликремния, химического травления SiO₂ и ионной имплантации мышьяка D = 1,2˙ 10¹⁵ см^-2 и энергией Е = 70 кэВ. После активации примеси наносили межслойную изоляцию 8 из SiO₂ толщиной 0,8 мкм, формировали фотолитографией и травлением окна к сток-истоковым областям и затвору 7, металлические шины 10,11,12 к стоку, затвору и стоку из алюминия, с добавками кремния (АК-1) и подслоем титана.

При создании приборов в более толстых пленках рекристаллизованного поликремния допускается легирование области контактов перед нанесением поликремниевой пленки для эффективности отвода неосновных носителей заряда в подложку, что не приводит к ухудшению электрических характеристик прибора.

Матричный КНИ МДП-транзистор имеет ряд технико-экономических преимуществ по сравнению с прототипом:
улучшаются электрические характеристики предлагаемого прибора, в частности крутизна характеристик из-за отсутствия электропроводящей дорожки под рабочей областью прибора;
отсутствие ограничений на толщину рекристаллизованного поликремния приводит к улучшению конструктивно-технологических свойств прибора;
возможность реализации КНИ МДП-транзисторов с малой длиной канала, что пpиводит к улучшению быстродействия приборов;
возможность реализации равномерного расположения контактов рекристаллизованного поликремния с подложкой по площади матричного КНИ МДП-транзистора приводит к эффективному отводу неосновных носителей заряда в подложку, т. е. к полному устранению "кинк-эффекта". Кроме того, это позволяет при рекристаллизации получить бездефектный слой кремния с заданной ориентацией и тем самым, обеспечить повышенное значение подвижности электронов, что отразится на улучшении параметров созданных на его основе матричных КНИ МДП-транзисторов.

Использование: в микроэлектронике для создания матричных МДП-транзисторов и интегральных схем на их основе, включая многослойные, со структурами кремний-на-изоляторе (КНИ). Сущность изобретения: матричный КНИ МДП-транзистор состоит из монокристаллической кремниевой подложки с последовательно сформированными на ней слоями изолирующего окисла, рекристаллизованного поликремния, содержащего чередующиеся в шахматном порядке области стока и истока, слоями подзатворного диэлектрика и затворного поликремния матричной конфигурации, при этом рекристаллизованный поликремний имеет контакт с подложкой. Новые в матричном КНИ МДП-транзисторе является расположение контакта рекристаллизованного поликремния с подложкой на пересечениях участков затвора матричной конфигурации, причем контакт является затравочной областью при рекристаллизации. Контакты выполнены в виде квадрата, вписанного в фигуру пересечения участков затвора, размер стороны квадрата меньше минимальной стороны фигуры пересечения, при этом контакты расположены равномерно по площади транзистора. 3 ил.

МАТРИЦА КНИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ, содержащая монокристаллическую кремниевую подложку с последовательно сформированными на ней слоями изолирующего окисла, рекристаллизованного поликремния и содержащая чередующиеся в шахматном порядке области стоков и истоков транзисторов, слои подзатворного диэлектрика и завторов матричной конфигурации, при этом рекристаллизованный поликремний соединен с подложкой посредством контактной области, отличающаяся тем, что, с целью улучшения электрических параметров матрицы, контактные области расположены равномерно под пересечением участков затворов матричной конфигурации, при этом фигуры контактных областей вписываются в фигуры пересечения участков затвора.