СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА Российский патент 1998 года по МПК H01L21/22 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам термического легирования твердых тел, и может быть использовано при изготовлении интегральных схем, а именно при формировании продольных транзисторов с разной величиной боковой диффузии.

Известен способ легирования твердого тела, состоящий в ускорении диффузии примесей в полупроводниковые подложки при ионном облучении обратной стороны подложки [1]
К недостаткам этого способа следует отнести сложность способа, связанную с необходимостью бомбардировки ионами высоких энергий, и невозможность локального ускорения с целью одновременного формирования диффузных областей разной величины.

В качестве прототипа выбран способ легирования твердого тела, состоящий в последовательном нанесении на поверхность полупроводниковой пластины маскирующих диэлектрических слоев, по крайней мере один из которых вызывает механические деформации в полупроводниковой пластине, создание маски фотолитографией, диффузию легирующей примеси с последующим отжигом [2]
Недостатком данного способа является наличие в электрической схеме элементов, формирование и функционирование которых ухудшается при наличии маски с механическими напряжениями.

В основу изобретения поставлена задача создать такой способ легирования, в котором стимулирование диффузии механическими напряжениями позволило бы обеспечить сокращение технологического цикла за счет одновременного формирования полупроводниковых элементов различного назначения.

Существенные признаки, характеризующие изобретение: формирование на поверхности защитных покрытий с окнами для диффузии примеси и термообработка, последовательное нанесение диэлектрических пленок, где хотя бы одна из пленок или одна из комбинаций создает механические напряжения, формирование методом фотолитографии двух наборов элементов из разных масок, где один набор масок не содержит, а второй содержит пленки с механическими напряжениями. При формировании только элементов с увеличенной областью диффузии формируют маску одного типа, содержащую механические напряжения.

Отличительные признаки:
формирование масок из пленок, где хотя бы одна из которых или комбинация этих пленок создает механические напряжения; одновременное формирование разных масок, где маски одного типа создают напряжения, а маски второго типа не создают;
формирование элементов с увеличенной областью боковой диффузии в области масок с механическими напряжениями; одновременное формирование элементов с разной величиной боковой диффузии.

Техническим результатом предлагаемого способа является сокращение технологического цикла за счет одновременного формирования полупроводниковых элементов различного функционального назначения.

Использование предлагаемого способа легирования твердого тела обеспечивает:
возможность создания приборов с увеличенной боковой диффузией;
сокращение времени диффузии при формировании продольных транзисторов;
одновременное формирование элементов с увеличенной боковой диффузией и без увеличения боковой диффузии, что позволяет единовременно формировать различные приборы, например продольные и пристеночные транзисторы.

На фиг. 1 показана зависимость изменения длины боковой диффузии бора от времени процесса легирования масок трех типов:
SiO₂ (0,35 мкм) кривые 3,3'. Кривые 1, 2, 3 соответствуют диффузии бора во время 11-й стадии разгонки Т₂= 1050^oC, а кривые 1', 2', 3' соответственно Т₂=940^oC.

На фиг. 2 показано изменение толщины шин из пленки Al 0,4 мкм у края масок трех типов:
SiO₂ (0,06 мкм) Si₃N₄ (0,18 мкм) кривая 1;
SiO₂ (0,06 мкм) Si₃N₄ (0,18 мкм) SiO₂ (0,6 мкм) кривая 2;
SiO₂ (0,35 мкм) кривая 3.

Маски формировались в виде полос на пластинах Si КЭФ (III). Шины Al формировались перпендикулярно направлению полос масок.

При изготовлении ИС диффузии бора (В) проводилась на установке СДОН-3/100. Первая стадия при температуре Т₁=940^oC длится 30 мин с использованием в качестве диффузанта нитрида бора (BN), вторая при Т₂=1150^oC.

Для исследования зависимости изменения боковой диффузии бора от времени выдержки на II-й стадии использовались пластины Si КЭФ-1 с ориентацией поверхности (III).

Боковая диффузия определялась с помощью тестовой структуры, которая состоит из двух наборов элементов в виде окон, формируемых в диэлектрических пленках. Окна располагаются между собой на расстояниях, которые изменяются по арифметической прогрессии с шагом Δl 0,1 мкм. После процесса фотолитографии производилось измерение с использованием оптического микроскопа одного из расстояний, а затем, учитывая шаг Δl определялось расстояние между необходимыми тестовыми элементами. Тестовые структуры формировались с масками трех типов: SiO₂-Si₃N₄; SiO₂-Si₃N₄-SiO₂; SiO₂.

После операций фотолитографии проводят процесс диффузии одновременно на кристаллах ИС и в тестовых элементах. После операции диффузии проводился контроль вольт-амперных характеристик (ВАХ) последовательно между набором элементов в виде окон и определялись окна, расположенные на расстоянии 1, соответствующем смыканию диффузных областей. Боковую диффузию определяют как l_бок L/2 (описание метода см. в полож. решениях N 4669994 и N 4669997 от 23. 07. 90 H 01 L 21/66, авторы: Кравчина В. В. Горбунков Е. А. Матюшин В. М.)
Из фиг. 1 видно, что боковая диффузия бора в Si зависит от типа маски. Боковая диффузия В для масок SiO₂-Si₃N₄ и SiO₂-Si₃N₄-SiO₂ превышает боковую диффузию В для масок SiO₂. Это объясняется тем, что различные маски создают различные механические напряжения. Механические напряжения в пленках связаны с радиусом кривизны пластинки Si ⊘ 76. Измерение прогиба пластин с помощью микроскопа МИИ-4 показало, что прогиб Δ для пластин с маской SiO₂-Si₃N₄ составляет D 20 мкм, для масок SiO₂-Si₃N₄-SiO₂ D -20-30 мкм, а для Si с маской SiO₂ -9 мкм.

Маска SiO₂-Si₃N₄ создает напряжение сжатия, в приповерхностных слоях Si при высокой температуре происходит генерация точечных дефектов, ускоряющих диффузию бора. Кроме того, радиус бора меньше радиуса кремния и расположение B в приповерхностных областях Si компенсирует механические напряжения сжатия (см. фиг. 1, кривая 2).

Маска SiO₂-Si₃N₄-SiO₂ создает напряжение растяжения, вследствие чего при высокой температуре происходит генерация точечных дефектов, ускоряющих диффузию бора (см. фиг. 1, кривая 1).

Маска SiO₂ создает напряжение растяжения в слоях Si, но эти напряжения частично компенсируются в самой пленке в процессе роста SiO₂. Кроме того, возможно проникновение кислорода в приповерхностные слои Si, а насыщение Si кислородом может закреплять точечные дефекты и замедлять диффузию В.

Вжигание Al (фиг. 2) проводилось при температуре Т 520^oC в течение 60 мин 20 мин 20 мин. На этапе контроля толщины шин Al на краю маски отрезалась часть пластины. Формировался скол, с помощью которого на МРЭМ-100 определялась толщина шин Al у края маски. Процессы растворения Al и Si происходят быстрее у края маски с пленкой Si₃N₄ по сравнению с пленкой SiO₂. Электрические изменения резистора из Al на "гребенке" из указанных масок на Si показывают более быстрый рост сопротивления резистора на "гребенке" из маски SiO₂-Si₃N₄.

Предлагаемый способ реализован следующим образом. После формирования базы перед формированием эмиттера на поверхности пластины Si вскрытые области Si окисляют до 600 SiO₂ и формируют пленку Si₃N₄ толщиной 0,18 мкм. Затем проводят фотолитографию и стравливают пленку Si₃N₄ с помощью селективного плазменного травления Si₃N₄ на SiO₂ (кроме транзисторов) и на одной тестовой структуре проводят операцию окисления до толщины SiO₂ 0,36 мкм. Вторую тестовую структуру формируют в пленке SiO₂ совместно с травлением SiO₂ под эмиттерные окна. В пленке SiO₂ формируют эмиттерные окна обычных транзисторов, после чего проводят диффузию бора. Диффузию бора на 11-й стадии проводят в течение времени t 60 мин. Проверяют последовательно ВАХ тестовых элементов на разных расстояниях и определяют L₁Si₃N₄= 1,2 мкм для элементов с маской Si₃N₄ и L₁SiO₂= 8,2 мкм для элементов с маской SiO₂. Длины боковых диффузий составляют соответственно L_бокSi₃N₄ 5,6 мкм, а L_бокSiO₂ 4,1 мкм. Им соответствует определенная величина базы продольных транзисторов с маской Si₃N₄ и с маской SiO₂. Технологическим значениям базы соответствуют значения с продольной диффузией величиной 6-6,4 мкм. Поэтому продольную диффузию проводят в течение t 20 мин. Затем по тестовым элементам определяют боковую диффузию для различных масок L_2бокSi₃N₄= 6,0 мкм, L_2бокSiO₂= 4,8 мкм.

Величина базы продольных транзисторов с маской Si₃N₄ в норме, а для формирования продольных транзисторов с маской SiO₂ необходима дополнительная термическая обработка в течение t 30 мин. Таким образом сформированы транзисторы с увеличенной и нормальной областями боковой диффузии. Аналогично проводят стимулированную боковую диффузию и других примесей.

Использование: электронная техника, способы термического легирования твердых тел. Сущность изобретения: способ легирования твердого тела включает последовательное нанесение на поверхность полупроводниковой пластины маскирующих диэлектрических слоев, по крайней мере один из которых вызывает механические деформации в полупроводниковой пластине, создание маски фотолитографией, диффузию легирующей примеси с последующим отжигом. При создании маски проводят дополнительную фотолитографию, формируя участки маски с двумя различными комбинациями маскирующих диэлектрических слоев. 2 ил.

Способ легирования твердого тела, включающий последовательное нанесение на поверхность полупроводниковой пластины маскирующих диэлектрических слоев, по крайней мере один из которых вызывает механические деформации в полупроводниковой пластине, создание маски фотолитографией, диффузию легирующей примеси с последующим отжигом, отличающийся тем, что при создании маски проводят дополнительную фотолитографию, формируя участки маски с двумя различными комбинациями маскирующих диэлектрических слоев.