СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОП БИС С ПРЕЦИЗИОННЫМИ ПОЛИКРЕМНИЕВЫМИ РЕЗИСТОРАМИ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/8232 

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно, к технологическим процессам изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами, и может быть использовано в аналоговых и аналого-цифровых интегральных схемах (ИС, БИС).

Известен технологический процесс изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами (патент РФ N 1575849, М.кл. H 01 L 21/82 от 14.09.88 г.).

Согласно известному способу после осаждения слоя поликристаллического кремния осаждают слой нитрида кремния и проводят первую фотогравировку и совместное травление слоев нитрида кремния и затворного поликремния для формирования контуров резисторов, проводят вторую фотогравировку и удаление нитрида кремния с области резистивных участков поликремния, так что контактные участки резисторов и области затворов и разводки остаются под нитридом кремния, легируют резистивный поликремний ионным легированием, проводят термическое окисление, формируя защитный слой двуокиси кремния на верхней и торцевых поверхностях резистивных участков поликремния, удаляют слой нитрида кремния и проводят диффузию фосфора в поликремний в областях затворов, разводки и контактных участков резисторов, обеспечивая их высокий уровень легирования и низкое поверхностное сопротивление, далее проводят третью фотогравировку и травление поликремния для формирования рисунка затворов и разводки и формируют истоки, cтоки МОП транзисторов и металлизацию известными методами.

Описанный технологический процесс позволяет за счет стабилизации ловушек захвата носителей на границах зерен поликремния (при их прокислении) термическим окислением во влажной среде реализовать высококачественные прецизионные резисторы с низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), высокой временной стабильностью и высокой точностью согласования отношений сопротивлений резисторов.

Однако описанный технологический процесс чрезвычайно сложен в реализации и соответственно дорогостоящ.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления МОП ИС с поликремниевыми резисторами (патент РФ N 1609399, М. кл. H 01 L 21/82 от 19.01.89 г.).

В этом технологическом процессе на полупроводниковой подложке, покрытой затворными и изолирующим диэлектриками, формируют высоколегированный слой затворного поликремния, проводят первую фотогравировку и удаление затворного поликремния с участков размещения высокоомных резисторов, окисляют слой затворного поликремния и осаждают второй слой поликремния-резистивный, проводят вторую фотогравировку для формирования контуров поликремниевых резисторов во втором слое поликремния, осаждают слой нитрида кремния и проводят третью фотогравировку и удаление нитрида кремния c области резистивных участков второго слоя поликремния, так что контактные участки резисторов во втором слое поликремния, а также области затворов и разводки первого поликремния остаются под нитридом кремния, легируют резистивный поликремний ионным легированием, проводят термическое окисление, формируя защитный слой двуокиси кремния на верхней и торцевых поверхностях резистивных участков поликремния, удаляют слой нитрида кремния и проводят диффузию фосфора в слой затворного поликремния и контактные участки резисторов второго слоя поликремния, обеспечивая их высокий уровень легирования и низкое поверхностное сопротивление, далее проводят четвертую фотогравировку и травление затворного поликремния для формирования рисунка затворов и разводки и формируют истоки, стоки МОП транзисторов и металлизацию ИС известными методами.

Последний технологический процесс также позволяет реализовать высококачественные прецизионные резисторы с низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), высокой временной стабильностью и высокой точностью согласования отношений сопротивлений резисторов, однако еще более сложен в реализации и соответственно дорогостоящ.

Технический результат изобретения улучшение точности согласования сопротивлений резисторов и их термо- и временной стабильности.

Цель достигается тем, что в способе изготовления МОП БИС с поликремниевыми резисторами, включающем формирование на покрытой диэлектриком полупроводниковой подложке слоя высоколегированного затворного поликремния, удаление слоя затворного поликремния с участков размещения резисторов, осаждение слоя резистивного поликремния и его легирование, формирование рисунка затворов фотогравировкой слоев поликремния, термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде и формирование истоков, стоков МОП транзисторов и металлизированной разводки, после формирования слоя высоколегированного затворного поликремния проводят его фотогравировку и удаление в местах размещения резистивных участков, оставляя затворный поликремний в местах размещения контактных участков резисторов, осаждают слой резистивного поликремния, проводят легирование слоя резистивного поликремния ионным легированием фосфора или мышьяка с дозой 100-500 мкКл/см², формируют рисунок поликремниевых затворов и резисторов фотогравировкой и совместным травлением слоев затворного и резистивного поликремния и проводят по крайней мере одно термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при температурах 800-950^oC до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,4-0,7 его исходной толщины.

Слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,25-0,35 мкм, ионное легирование резистивного поликремния проводят ионами фосфора или мышьяка с дозой 300-400 мкКл/см² и энергией 40-75 кэВ, термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде проводят при температуре 840-860^oC в течение 100-160 мин до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,3-0,5 его исходной толщины, удаляют образовавшийся слой двуокиси кремния с поверхности резистивного поликремния, проводят фотогравировку и совместное травление слоев резистивного и затворного поликремния и далее проводят второе термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при 840-860^oC в течение 20-40 мин до формирования на поверхности резистивного поликремния защитного слоя двуокиси кремния толщиной 0,1-0,15 мкм.

Или слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,15-0,25 мкм, ионное легирование проводят ионами фосфора или мышьяка с энергией 40-60 кэВ и дозой 300-400 мкКл/см², термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде проводят при температуре 840-860^oC в течение 40-110 мин, проводят фотогравировку и совместное травление слоев двуокиси кремния, резистивного и затворного поликремния и далее проводят второе термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при температуре 840-860^oC в течение 20-40 мин.

Или слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,13-0,17 мкм, ионное легирование проводят ионами фосфора или мышьяка с энергией 30-40 кэВ и дозой 300-400 мкКл/см², проводят фотогравировку и совместное травление слоев резистивного и затворного поликремния, и далее проводят термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при температуре 840-860^oC в течение 30-80 мин.

Hа фиг. 1-3 представлена последовательность формирования структуры МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами согласно заявляемому способу.

Hа полупроводниковой подложке 1, покрытой слоями изолирующей 2 и затворной 3 двуокиси кремния формируют слой высоколегированного затворного поликремния 4, в котором проводят фотогравировку и удаление поликремния с участков размещения резисторов 5 (фиг.1).

Далее осаждают слой резистивного поликремния 6, легируют его ионами фосфора или мышьяка и проводят его термическое окисление во влажной среде для стабилизации ловушек захвата носителей на границах зерен поликремния, формируя слой двуокиси кремния 7 (фиг.2).

Далее удаляют слой двуокиси кремния 7 с поверхности резистивного поликремния, проводя фотогравировку и совместное травление слоев резистивного и затворного поликремния, формируя поликремниевые резисторы с резистивными участками 6 и контактными участками 9, а также поликремниевые затворы 8, и проводят второе термическое окисление резистивного поликремния, формируя на его поверхности защитный слой двуокиси кремния 10 (фиг.3).

Области истоков, стоков МОП транзисторов и металлизированную разводку элементов БИС формируют известными методами.

Следует отметить, что термическое окисление для стабилизации ловушек на границах зерен можно проводить в два этапа (в соответствии с п.2,3 формулы) или в один этап (в соответствии с п.4 формулы), при этом суммарная глубина прокисления резистивного поликремния должна быть в пределах 0,4-0,7 от исходной толщины слоя резистивного поликремния ( в соответствии с п.1 формулы). При этом необходимость проведения окисления в два или в один этап, а также необходимость удаления окисла с поликремния перед его фотогравировкой в зависимости от исходной толщины слоя резистивного поликремния обусловлена следующими факторами:
наличие толстого окисла кремния поверх слоя поликремния усложняет процесс его фотогравировки увеличивая растрав (уход размеров);
глубокое окисление поликремния после его фотогравировки (и, следовательно, формирования затворов) нежелательно из-за сильного окисления торцов затворов и возможности неперекрытия оставшимся после окисления поликремнием затвора области канала;
наличие суммарного толстого термического окисла на верхней поверхности поликремния может затруднить формирование контактных окон к поликремнию затворов.

Положительный эффект упрощения технологии изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами по заявляемому способу относительно известных очевиден: в заявляемом способе отсутствуют дорогостоящие процессы осаждения и травления нитрида кремния, а также уменьшено количество процессов фотогравировки, необходимых для формирования поликремниевых резисторов и затворов с 3-4 до 2. Соответственно уменьшение количества критичных технологических операций и масок при прочих равных условиях повышает процент выхода годных БИС.

Положительный эффект повышения точности воспроизведения сопротивлений и отношений сопротивлений прецизионных интегральных поликремниевых резисторов, снижения их ТКС и улучшения временной стабильности сопротивлений и отношений сопротивлений резисторов достигается в заявляемом способе изготовления МОП БИС за счет стабилизации ловушек захвата носителей на границах зерен поликремния термическим окислом при их сквозном прокислении при длительном низкотемпературном окислении резистивного поликремния во влажной среде, в условиях ускоренного окисления границ зерен за счет влияния повышенного уровня легирования границ зерен поликремния фосфором или мышьяком (Известно, что фосфор и мышьяк при низких температурах сегрегируются на границах зерен поликремния). При этом возможность использования тонких (до 0,2 мкм и менее) слоев резистивного поликремния, ведет к снижению размеров его зерен (кристаллитов) и уменьшению времени окисления резистивной части, необходимого для сквозного прокисления границ зерен, обеспечивающего термовременную стабильность сопротивлений. Использование тонкого слоя резистивного поликремния позволяет также увеличить уровень легирования при сохранении слоевого сопротивления (Ом/кВ).

Экспериментальные данные показывают, что и уменьшение размеров зерен, и повышение уровня легирования поликремния ведут к повышению как точности воспроизведения сопротивлений, так и точности согласования отношений сопротивлений за счет статистического усреднения неоднородностей по длине резистора и уменьшения влияния границ зерен при повышенном уровне легирования. Уменьшенное время окисления резистивной части позволяет уменьшить макронеоднородности остаточной толщины слоя резистивного поликремния.

Заявляемый способ изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами позволяет также независимо от толщины и уровня легирования слоя резистивного поликремния обеспечить качественный контакт с металлом в контактных участках резисторов за счет увеличенной толщины и повышенного уровня легирования дополнительного слоя затворного поликремния, что благоприятно сказывается на точностных характеристиках.

Согласно изобретению были изготовлены образцы тестовых КМОП ИС с поликремниевыми резистивными делителями с размерами резистивных областей 800 х 16 мкм. Толщина верхнего резистивного слоя поликремния 0,2 мкм, толщина нижнего контактного слоя поликремния 0,3 мкм, толщина слоя термического окисла на поверхности резистивного слоя 0,23 мкм.

Полученные резисторы имели слоевое сопротивление 500 ± 100 Ом/кВ. (т.е. разброс сопротивлений в пределах ±20% по сравнению с ±30% для резисторов по прототипу), точность согласования сопротивлений резисторов в парах ±0,05-0,1% (при ±0,1% для резисторов по прототипу) и температурный коэффициент сопротивлений не хуже 2^Е-4 1/град.

Как можно видеть, заявляемый способ изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами позволяет при существенном упрощении относительно прототипа технологического процесса обеспечить уменьшение разброса сопротивлений и улучшение точности согласования сопротивлений резисторов, а также хорошую термическую стабильность сопротивлений.

Таким образом, заявляемый способ изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами обладает новизной, может быть реализован и позволяет обеспечить высокую точность воспроизведения сопротивлений и отношений сопротивлений, а также высокую термическую и временную стабильность сопротивлений и отношений сопротивлений резисторов при существенном упрощении технологического процесса.

Использование: в аналоговых и аналого-цифровых интегральных схемах. Сущность: в способе, включающем формирование на покрытой диэлектриком полупроводниковой подложке слоя высоколегированного затворного поликремния, удаление слоя затворного поликремния с участков размещения резисторов, осаждение слоя резистивного поликремния и его легирование, формирование рисунка затворов и резисторов фотогравировкой слоев поликремния, техническое окисление резистивного поликремния во влажной среде и формирование истоков, стоков МОП транзисторов и металлизированной разводки, после формирования слоя высоколегированного затворного поликремния проводят его фотогравировку и удаление в местах размещения резистивных участков, оставляя затворный поликремний в местах размещения контактных участков резисторов, осаждают слой резистивного поликремния, проводят легирование слоя резистивного поликремния ионным легированием фосфора или мышьяка с дозой 100-500 мкКл/см², формируют рисунок поликремниевых затворов и резисторов фотогравировкой и совместным травлением слоев затворного и резистивного поликремния и проводят по крайней мере одно термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при температурах 800-950^oC до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,4-0,7 его исходной толщины. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления МОП БИС с прецизионными поликремниевыми резисторами, включающий формирование на покрытой диэлектриком полупроводниковой подложке слоя высоколегированного затворного поликремния, удаление слоя затворного поликремния с участков размещения резисторов, осаждение слоя резистивного поликремния и его легирование, формирование рисунков затворов и резисторов фотогравировкой слоев поликремния, термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде и формирование истоков, стоков МОП транзисторов и металлизированной разводки, отличающийся тем, что после формирования слоя высоколегированного затворного поликремния проводят его фотогравировку и удаление в местах размещения резистивных участков, оставляя затворный поликремний в местах размещения контактных участков поликремниевых резисторов, осаждают слой резистивного поликремния, проводят легирование слоя резистивного поликремния ионным легированием фосфора или мышьяка с дозой 100 500 мкКл/см², формируют рисунок поликремниевых затворов и резисторов фотогравировкой и совместным травлением слоем затворного и резистивного поликремния и проводят по крайней мере одно термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при 800 950^oС до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,4 0,7 его исходной толщины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,25 0,35 мкм, ионное легирование резистивного поликремния проводят ионами фосфора или мышьяка с дозой 300 400 мкКл/см² и энергией 40 75 кэВ, термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде проводят при 840 860^oС в течение 100 160 мин до прокисления слоя резистивного поликремния на 0,3 0,5 его исходной толщины, удаляют образовавшийся слой двуокиси кремния с поверхности резистивного поликремния, проводят фотогравировку и совместное травление слоев резистивного и затворного поликремния и далее проводя второе термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при 840 860^oС в течение 20 - 40 мин до формирования на поверхности резистивного поликремния защитного слоя двуокиси кремния толщиной 0,1 0,15 мкм. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,15 0,25 мкм, ионное легирование проводят ионами фосфора или мышьяка с энергией 40 60 кэВ и дозой 300 400 мкКл/см², термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде проводят при 840 860^oС в течение 40 110 мин, проводят фотогравировку и совместное травление и далее проводят второе термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при 840 860^oС в течение 20 40 мин. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой резистивного поликремния осаждают толщиной 0,13 0,17 мкм, ионное легирование проводят ионами фосфора или мышьяка с энергией 30 40 кэВ и дозой 300 400 мкКл/см², проводят фотогравировку и совместное травление слоев резистивного и затворного поликремния, и далее проводят термическое окисление резистивного поликремния во влажной среде при 840 860^oС в течение 30 80 мин.