СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП БИС Российский патент 1994 года по МПК H01L21/268 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении многопороговых МДП БИС.

Известен способ изготовления МДП БИС, включающий формирование на кремниевой подложке активных и полевых областей, выращивание подзатворного диэлектрика, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции и формирование металлизированной разводки [1].

К недостаткам указанного способа относится неэффективное управление параметрами изготовляемых в БИС МДП-транзисторов, которое в нем осуществляется толщиной подзатворного диэлектрика, концентрацией легирующей примеси подложки, что предопределяет низкий процент выхода годных и ограничивает использование способа для простейших БИС.

Известен также способ изготовления МДП БИС, включающий формирование на кремниевой подложке активных и полевых областей, подгонку пороговых напряжений ионным легированием подзатворных областей, выращивание подзатворного диэлектрика, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции и формирование металлизированной разводки [2]. Недостатки его заключаются в низкой воспроизводимости, что связано с требованиями довольно точного поддержания параметров технологического процесса ионного легирования, а также с низкой чувствительностью известных средств контроля малых доз ионного легирования, которые в массовом производстве современных многопороговых БИС оказывались совершенно непригодными. Следствием указанных недостатков является низкий процент выхода годных изделий, а применительно к многопороговым БИС еще и сложность технологического процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления логических БИС на основе МДП транзисторов [3], включающий формирование на кремниевой подложке активных и полевых областей, формирование в активных областях истоков, стоков, выращивание подзатворного диэлектрика, подгонку порогового напряжения, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции и формирование алюминиевой разводки. Причем подгонку порогового напряжения выполняют после окисления полевых областей и подзатворного окисления перед выполнением истоковых и стоковых областей и осуществляют путем ионной имплантации легирующих сквозь подзатворный окисел примесей. Для этого с помощью фотолитографии по слою фоторезистора толщиной не менее 0,4 мкм в подзатворную область подложки имплантируют ионы бора (25 кэв) или мышьяка (110 кэВ). Причем соотношение между пороговым напряжением U_n и дозой имплантированных ионов N_si имеет вид U_n= U_o ± Δ U_n=U_o±qN_si/C_ок, где U_о - пороговое напряжение до имплантации. C_ок - емкость подзатворного окисла зависящая от его толщины d, знаки "+" и "-" для n- и p- типов примеси соответственно. а N_si связана с общей дозой имплантации N_т соотношением N_si=aN_т, где a - коэффициент, зависящий от вида и энергии имплантированных ионов, пробега их в подзатворном веществе и других физических свойств слоев. В частности, экспериментально определенное для слоя SiO₂ (50 нм) значение a составляет 0,579 для As с энергией ионов 110 кэВ и 0,975 для B с энергией 25 уэВ. Используя многократно подгонку с фотолитографической методикой при этом становится возможным производить индивидуальную подгонку в БИС различных групп МДП-транзисторов, для чего вид ионов, дозы и энергии легирования для i различных групп подбирают в соответствии с требующимся значением Δ Uⁱ_n.

Известный способ имеет существенные недостатки, суть которых заключается в следующем.

Используемая в известном способе методика подгонки порогового напряжения путем внедрения легирующей примеси существенно усложняет технологию, поскольку в своей основе содержит операцию ионного легирования. Указанные трудности особенно ощутимы в случае реализации способа на многопороговых схемах, в которых каждая группа МДП-транзисторов обрабатывается последовательно, а процесс подгонки выполняется многократно, т. е. по числу i групп однопороговых МДП-транзисторов в БИС.

Трудность заключается в том, что операция подгонки ионным легированием представляет собой комплекс технологических процессов, включающий формирование масок методом фотолитографии, химической обработки структуры, термической обработки (нанесение фоторезиста, засветка, удаление фоторезиста, сушка, задубливание, травление), ионная имплантация примеси, удаление маски, термические операции разгонки примеси и т. д. Причем, в случае многопороговых схем, весь комплекс этих операций необходимо выполнять многократно, т. е. по числу i порогов. При этом на каждой из указанных операций в структуру могут вноситься соответствующие неточности и загрязнения, что делает процесс в целом трудноконтролируемым и недостаточно воспроизводимым. Следует особо отметить нерешенность проблем контроля малых доз ионного легирования как в отечественной, так и в зарубежной практике, что накладывает соответствующие ограничения на минимальное значение подгоняемого параметра. Из указанного можно сделать вывод о низком проценте выхода годных изделий с несколькими уровнями пороговых напряжений в свете высоких требований, предъявляемых к разбросу пороговых напряжений в рамках группы однопороговых транзисторов в составе БИС.

Целью изобретения является упрощение способа изготовления МДП БИС с многими порогами, повышение воспроизводимости, а также увеличение процента выхода годных изделий.

Для достижения цели в способе изготовления МДП БИС, включающем формирование на кремниевой подложке активных и полевых областей, формирование в активных областях истоков, стоков, выращивание подзатворного диэлектрика, пиодгонку порогового напряжения, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции и формирование алюминиевой разводки, окончательную подгонку порогового напряжения проводят после нанесения межслойной изоляции и выполняют в два этапа, на первом из которых осуществляют облучение всей структуры МДП БИС рентгеновским излучением, а на втором этапе проводят индивидуальную подгонку порогов групп транзисторов с одинаковыми значениями порогов, которую осуществляют облучением подзатворных областей указанных групп транзисторов через контактные фотошаблоны, прозрачные для квантов в диапазоне 4,35-8,8 эВ дозами ультрафиолетового излучения, после чего проводят стабилизирующий термический отжиг, либо совмещают его с термическими операциями на последующих этапах технологического процесса. Причем стабилизирующий отжиг осуществляют при температуре 450-400^оС в течение 0,5-1 ч. Кроме того, процесс облучения ультрафиолетовым излучением проводят импульсно при длительности импульса 2-10 мкс и частотой следования импульсов 0,1-20 Гц, а рентгеновское облучение структуры проводят дозой насыщения.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что после облучения всей структуры рентгеновским излучением, которое теперь входит в подготовительный, I-й этап подгонки, проводят 2-й этап - точной подгонки порогового напряжения, который осуществляют индивидуальной засветкой подзатворных областей групп транзисторов с одинаковыми значениями порогов ультрафиолетовым излучением через контактные кварцевые фотошаблоны, прозрачные для УФ-излучения с энергией квантов в диапазоне 4,35-8,8 эВ до требуемых значений пороговых напряжений каждой группы транзисторов с учетом последующего термического отжига. При этом для ускорения процесса УФ-обработки структур МДП БИС, с одной стороны - облучение указанных областей проводят в импульсном режиме с длительностью импульса 2 - 10 мкс и с частотой следования импульсов 0,1-20 Гц, а с другой стороны - облучение проводят с последовательным затенением или открыванием указанных групп, а сами операции рентгеновского и УФ-облучения проводят перед формированием металлической разводки. Авторам неизвестны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс указанных признаков. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". С другой стороны, при сопоставлении с известными техническими решениями в данной области техники признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа и характеризующие его в проявляющемся положительном эффекте, не выявлены и, следовательно, они обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в следующем.

При формировании многопороговых МДП БИС на первом этапе проводят ионное легирование подзатворной области и совместное рентгеновское облучение всех групп МДП-транзисторов структуры, обеспечивающее единый исходный параметр ("пьедестал") структуры, необходимый для осуществления второго этапа, заключающегося в достаточно точной подгонке к заданному значению пороговых напряжений различных групп МДП-транзисторов на всей структуре БИС. На втором этапе формирование многопороговой структуры проводится облучением активных областей транзисторов соответствующей группы индивидуальными дозами УФ-излучения, которое осуществляют через кварцевые фотошаблоны. Последующий термический отжиг при температуре 400-450^оС в течение 0,5-I ч направлен на стабилизацию параметров структуры межоперационный контроль полученных значений параметров.

Физическое обоснование способа заключается в том, что предварительное рентгеновское облучение структуры образует в подзатворном диэлектрике положительный радиационно стимулированный заряд, обеспечивающий вместе с легированием подзатворной зоны сдвиг пороговых напряжений всех транзисторов, входящих в состав МДП БИС. На втором этапе облучение подзатворных зон УФ-излучением приводит к снятию части радиационно индуцированного заряда в подзатворном диэлектрике и пропорциональное изменение порогового напряжения в обратную сторону. Этот эффект обусловлен фотоэмиссией электронов из электродов затвора и подложки под действием квантов УФ-излучения с энергией более 4,35 эВ, что соответствует ширине запрещенной зоны оксида кремния. При этом электроны, инжектируемые в область подзатворного диэлектрика, нейтрализуюти радиационно индуцированный ранее рентгеновским излучением заряд. Ионное легирование, производимое на первом этапе подгонки, создает соответствующий "пьедестал", который так же, как и в прототипе, необходим для получения соответствующего спектра пороговых напряжений для всех групп МДП-транзисторов БИС.

Верхняя граница используемых для второго этапа подгонки квантов УФ-излучения, равная 8,8 эВ, лимитируется тем, что при более высоких энергиях доминирующим становится процесс ионизации в подзатворном диэлектрике с сопровождающим его накоплением положительного заряда, что не приводит к желаемому результату.

Очевидно, что чем выше был "увод" порогового напряжения действием рентгеновского излучения на первом этапе, тем больший запас его изменения имеется для проведения подгонки на втором этапе, т. е. тем больший интервал значений может быть обеспечен в целом при подгонке. Поэтому, согласно способу, облучение рентгеновским излучением проводят до достижения структурой дозы насыщения.

Для исключения экранировки активных областей транзисторов слоями металлизации при ультравиолетовой засветке процесс подгонки порогов проводят перед формированием металлизированной разводки. Последующий термический отжиг позволяет снять нестабильную составляющую радиационно индуцированного заряда в подзатворном диэлектрике и обеспечить неизменность значений пороговых напряжений на последующих технологических операциях изготовления БИС, а также в процессе эксплуатации изделий. Температурные пределы термообработки выбраны из тех соображений, что при температуре ниже 400^оС процесс снятия нестабильной части заряда неоправданно удлиняется во времени. При температурах же выше 450^оС в структуре могут произойти необратимые физико-химические процессы (ускоренная диффузия в твердой фазе, образование эвтектических сплавов и т. п.), приводящие к деградации параметров изделий. Длительность 0,5-1 ч обусловлена тем, что, как показал опыт отработки способа, при меньших временах процессы, влияющие на достижение стабильности изделия, не успевают закончиться, а в более длительной обработке нет необходимости, поскольку стабилизация электрических характеристик в указанный срок в основном успевает закончиться.

Индивидуальную засветку отдельных групп транзисторов УФ-излучением обеспечивают контактными фотошаблонами на кварцевой подложке, с помощью которых в нужные зоны вводят пучок квантов с энергией 4,35-8,8 эВ. Кроме того, при отработке способа было экспериментально установлено, что при импульсном облучении МДП-транзисторов ультрафиолетовым излучением эффективность обработки резко повышается. Данный эффект связан с генерацией электронов в широком спектре энергий, который с большей вероятностью попадает на ловушечные центры, сформированные при рентгеновском облучении в подзатворном окисле. При этом не только длительность импульса, но и временной интервал между импульсами эффективно влияют на длительность процесса ультрафиолетовой засветки на втором этапе подгонки, что связано с временем релаксации фотоэлектронов в подзатворном диэлектрике. При этом импульсное УФ-облучение позволяет существенно снизить дозы УФ-излучения на процесс подгонки и улучшить контролируемость процесса облучения. Экспериментальными исследованиями установлено также, что для наиболее распространенных современных изделий МДП БИС с толщинами подзатворного диэлектрика от 400 до 1200 А при длине канала от 2 до 6 мкм оптимальная длительность УФ-импульса составляет от 2 до 10 мкс, а частота следования импульсов, удовлетворяющая компромиссу между потребностью в дозе и временем обработки, лежит в диапазоне 0,1-10 Гц.

Кроме того, облучение по группам МДП-транзисторов БИС возможно проводить с последовательным затенением или же открыванием групп МДП-транзисторов, имеющих одинаковые пороговые напряжения. Эффективность использования при этом УФ-пучка повышается, а затраты времени на проведение технологического цикла производства БИС при этом уменьшаются.

П р и м е р. На кремниевую подложку КДБ 12,5 Ом˙см<100> выращивают первичный окисел толщиной 0,06 мкм, наносят слой нитрида кремния толщиной 0,1 мкм. Методом фотолитографии формируют активные области, проводят противоинверсионное легирование полевых областей. С неактивных областей снимают нитрид кремния и выращивают полевой окисел толщиной 1 мкм. С активных областей подложки снимают нитрид кремния и первичный окисел и выращивают подзатворный окисел толщиной 0,08 мкм. Методом фотолитографии формируют контактные окна поликремния к кремнию, наносят поликремний толщиной 0,5 мкм и формируют поликремниевую разводку. Вскрывают подзатворный окисел под диффузионные области, проводят в них диффузию фосфора и наносят фосфоросиликатное стекло толщиной 1 мкм. После термообработки методом фотолитографии вскрывают контактные окна к диффузионным областям и к поликремнию, проводят оплавление контактов, после чего п роводят их освежение. Полученную структуру подвергают облучению рентгеновским излучением на установке РУМ-17 дозой 35000 рентген с энергией квантов порядка 100 кэВ. После этого на установке контактной печати типа 576А, через кварцевые фотошаблоны (кварц КУI, металлизация - хром) проводят экспозиционную засветку ультрафиолетовым пучком активных областей транзисторов с одинаковыми значениями пороговых напряжений. Источник УФ-излучения - ИФП-1200 с мощностью разряда 800 Дж и средней мощностью 4 кВт 80% мощности излучения лежит в диапазоне энергий УФ-излучения квантов более 5,5 эВ. Рабочее напряжение 1,4 кВ, длительность импульса 6 мкс, частота 10 Гц. Изготовленная в данном примере МДП-структура после облучения рентгеновским излучением изменяет пороговое напряжение на 1,2 В. Облучение ее КФ-пучком снимает стимулированное рентгеном начальное изменение порогового напряжения до исходного за 1 мин. За 15 с снимается 0,5 В, за 40 с - 1 В. Используя эту градуировку, все группы МДП-транзисторов структуры подгоняют под необходимые пороги. Хромовое покрытие фотошаблона полностью экранирует от ультрафиолетового излучения области кристалла за пределами областей засветки. Процесс формирования многопороговости МДП БИС включает последовательную УФ-засветку активных областей транзисторов различных групп с одинаковыми значениями порогов. Длительность ультрафиолетовой засветки каждой группы рассчитывают, исходя из требуемых значений порогов транзисторов каждой группы. Контроль сформированных уровней пороговых напряжений транзисторов проводится после стабилизирующего термического отжига в среде азота при температуре 450^оС в течение 30 мин. При необходимости УФ-обработка или даже рентгеновская совместно с УФ может быть повторена. Таким образом, брак на проведении этих двух операций полностью отсутствует. Более того, при необходимости коррекцией этих операций возможно нейтрализовать брак, допущенный на проведении других операций. После термообработки и контроля пластины подвергают отмывке в сернокислой смеси и проводят освежение контактных окон, напыляют алюминий термическим испарением алюминия с кремнием при низком давлении (P=10^-5 мм рт. ст.). Толщина металлизации 1 мкм. Методом фотолитографии формируют металлизированную разводку и наносят пассивирующее покрытие. Вскрывают контактные площадки к алюминиевой металлизации и проводят повторный контроль параметров БИС.

Предложенный способ позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления МДП БИС, вклиючающий в себя МДП-транзисторы с различными уровнями пороговых напряжений. Упрощение процесса производства достигается за счет исключения из технологических маршрутов операций формирования фоторезистивных масок, химических обработок, операций многократного ионного легирования с малыми дозами легирующей примеси (Д=0,01-0,06 мкКул/см²) и физико-химических процессов, использующихся в традиционных технологических маршрутах для подгонки пороговых напряжений. Набор этих операций существенно влияет на качество формируемой структуры МДП БИС, внося в нее неконтролируемые загрязнения и дефектность. При этом, с увеличением многопороговости МДП БИС, влияние указанных технологических процессов резко возрастает, делая неприемлемым для массового производства процент выхода годных изделий. В предлагаемом же способе сложные комплексные технологические процессы многократного повторения фотолитографии и ионного легирования исключаются и при многопороговой подгонке заменяются на простые в реализации операции ультрафиолетовой засветки через контактные фотошаблоны. При этом новые для способа операции не вносят в структуры загрязнений и не повышают ее дефектность. Новые операции просты в своем выполнении и с достаточно высокой степенью, точности контролируются простейшими средствами (с помощью фотометров). Кроме того, операции по подгонке легко совмещаются со стандартными технологическими маршрутами изготовления МДП БИС. Использование способа не требует разработки нового технологического оборудования и реализуется лишь незначительной доработкой стандартного оборудования.

Ценным для данного способа является и тот факт, что брак на операциях подгонки пороговых напряжений по группам транзисторов в нем отсутствует, так как при отклонении уровней порогов любой из групп от заданного процесс подгонки можно повторить. Это обеспечивает высокий процент выхода годных, недостижимый в рамках базовой технологии, а также в способе-прототипе. Простота реализации способа и его высокая воспроизводимость дают весомые предпосылки для его широкого использования для обширного класса изделий на основе МДП-структур, в частности для многопороговых БИС.

Использование: технология изготовления многопороговых БИС на МДП-транзисторах. Сущность изобретения: способ изготовления МДП БИС включает в себя операции формирования на кремниевой подложке активных и полевых областей, ионное легирование подзатворной области, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции, формирование металлизированной разводки и облучение сформированной структуры рентгеновским излучением. Рентгеновское облучение проводят перед формированием металлизированной разводки и после рентгеновского облучения проводят подгонку пороговых напряжения каждой группы транзисторов с одинаковым значением порогов путем облучения из подзатворных областей дозами ультрафиолетового (УФ) излучения, после чего структуры подвергают термическому отжигу при температуре 400 - 450°С в течение 0,5 - 1 ч. Облучение УФ-пучком осуществляют через контактные кварцевые фотошаблоны, прозрачные для квантов в диапазоне 4,35 - 8,8 эВ. Процесс облучения проводят импульсно с длительностью импульса 2 - 10 мкс и с частотой следования импульсов 0,1 - 20 Гц. Рентгеновское облучение проводят дозой насыщения, а процесс облучения УФ-излучением различных групп проводят путем последовательного затенения или открывания перед пучком групп транзисторов, имеющих одинаковое значение порогов. 3 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП БИС, включающий формирование на кремниевой подложке активных и полевых областей, формирование в активных областях истоков, стоков, выращивание подзатворного диэлектрика, подгонку порогового напряжения ионным легированием примеси, формирование поликремниевой разводки, нанесение межслойной изоляции и формирование алюминиевой разводки, отличающийся тем, что после нанесения межслойной изоляции дополнительно проводят подгонку порогового напряжения в два этапа, на первом из которых осуществляют облучение всей структуры МДП БИС рентгеновским излучением, а на втором этапе проводят индивидуальную подготовку порогов групп транзисторов с одинаковыми значениями порогов ультрафиолетовым излучением, которую осуществляют облучением подзатворных областей указанных групп транзисторов через контактные фотошаблоны, прозрачные для квантов в диапазоне 4,35 - 8,8, после чего проводят стабилизирующий термический отжиг либо последний совмещают с термическими операциями на последующих этапах технологического процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизирующий отжиг осуществляют при 450 - 400^oС в течение 0,5 - 1,0 ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс облучения ультрафиолетовым излучением проводят импульсно при длительности импульса 2 - 10 мкс и с частотой следования импульсов 0,1 - 20,0 Гц. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рентгеновское облучение структуры проводят дозой насыщения.