СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/28 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано для изготовления полевых транзисторов Шоттки на арсениде галлия.

Известен способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий формирование полевых транзисторов Шоттки с субмикронным затвором грибообразной конструкции, см. работу Самсоненко Б.Н. "Формирование субмикронных затворов с использованием контактной фотолитографии" - Электронная промышленность, N 2, 1995 г., стр. 46 и 47.

На пластине арсенида галлия с активным слоем изолируют активные области полупроводниковых приборов, формируют омические контакты, наносят защитный слой SiO₂, создают фоторезистивную маску с рисунком затвора, удаляют SiO₂ в окнах маски направленным плазмохимическим травлением, удаляют фоторезист, вытравливают подзатворную область в канале, наносят дополнительный слой SiO₂ на поверхность полупроводника в канале и защитного слоя SiO₂ в том числе на боковые стенки углубления, удаляют дополнительный слой SiO₂ направленным плазмохимическим травлением, осаждают электрохимически грибообразный затвор по маске SiO₂.

Недостаток способа заключается в том, что при нанесении дополнительного слоя SiO₂ в узких шириной ≤ 0,5 мкм и глубиной ≥ 0,4 мкм щелях диэлектрической маски осаждаемый слой не воспроизводит рельеф щели. Скорость осаждения на верхних кромках углубления выше, чем вблизи дна. В результате в заращиваемом углублении возникает полость. В дальнейшем, при вскрытии поверхности полупроводника в канале направленным травлением дополнительного слоя SiO₂ тонкие нависающие козырьки стравливаются и размер щели увеличивается до прежней величины. При исходном размере рисунка затвора ≈ 1 мкм, создаваемого контактной фотолитографией, предложенный метод не эффективен для получения размеров менее 0,4 мкм.

Известен способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий формирование субмикронного затвора "взрывом"/прототип/, см. работу J. YANOKURA, M. MORI, K. HIRUMA " A New Self-Alignment Technology for Sub-Quarter-Micron-Gate FET's; Operating in the Ka-Band, - IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVETHEORY AND TECNIQUES, V. 37, N 9, 1989, p. 1466 - 1470.

На пластине арсенида галлия с активным слоем изолируют активные области, наносят слой SiO₂, формируют омические контакты в окнах SiO₂, создают фоторезистивную маску с окном над областью канала. Далее травят слой SiO₂ в окнах маски до поверхности полупроводника в канале, используя метод реактивного ионного травления; удаляют фоторезист, вытравливают углубление в канале по маске SiO₂. Затем формируют маскирующее покрытие в вытравленном углублении слоя SiO₂, для чего осаждают слой SiN, наносят стеклокристаллический диэлектрик, сошлифовывают стеклокристаллический диэлектрик до слоя SiN. После этого создают фторезистивную маску с расширенным рисунком затвора, формируют затворную щель в диэлектрическом слое путем удаления слоя SiN в канале по маске SiO₂ и стеклокристаллического диэлектрика. Вытравливают подзатворную область в канале, формируют "взрывом" грибообразный затвор.

Недостаток способа заключается в сложности технологии, так как необходимы последовательное нанесение и травление трех различных по составу диэлектрических слоев. Различие в коэффициентах термического расширения приводит к механическим напряжениям в многослойной структуре и отслаиванию диэлектрического покрытия. В результате снижается выход годных приборов.

В соответствии с вышеизложенным поставлена задача упрощения технологии и повышения выхода годных приборов за счет уменьшения количества диэлектрических слоев на пластине и устранения эффектов отслаивания и растрескивания многослойного диэлектрического покрытия.

Эта задача решена тем, что в предлагаемом способе изготовления полупроводниковых приборов изолируют активные области на пластине арсенида галлия с активным слоем, наносят слой SiO₂, формируют омические контакты, создают фоторезистивную маску с окном над областью канала, травят слой SiO₂ в окнах маски, удаляют фоторезист, формируют маскирующее покрытие в вытравленном углублении слоя SiO₂, создают фоторезистивную область с расширенным рисунком затвора, формируют затворную область в канале, формируют "взрывом" грибообразный затвор, при этом после создания фоторезистивной маски с окном над областью канала вытравливают несквозное углубление в слое SiO₂, напыляют вспомогательный слой металла, удаляют фоторезист с напыленным слоем металла, травят слой SiO₂ по маске металла до вскрытия затворной щели, удаляют вспомогательный слой металла, а после создания фоторезистивной маски с расширенным рисунком затвора вытравливают подзатворную область в канале, формируют затвор.

Пример реализации способа иллюстрируют фиг. 1 - 6. Фиг. 1 - вид фоторезистивной маски с окном над областью канала, фиг. 2 - вид канала транзистора с вытравленным углублением в слое SiO₂, фиг. 3 - вид канала транзистора после "взрыва" вспомогательного слоя металла, фиг. 4 - вид канала транзистора после травления SiO₂ по металлической маске, фиг. 5 - вид канала транзистора с фоторезистивной маской под "взрыв" затвора, фиг. 6 - вид канала транзистора с грибообразным затвором.

Для конкретных примеров реализации способа используют пластины арсенида галлия n⁺-n-n-б

-i-типа, ориентации (100) с концентрацией: n⁺ = 4 • 10¹⁸ см^-3, толщиной n = 3 • 10¹⁸ см^-3, толщиной d_n = 0,22 мкм, n-б ~ 10¹⁴ см^-3, толщиной
Пример 1. На пластине создают фоторезистивную маску, защищающую активные области полупроводниковых приборов. Изолируют активные области имплантацией ионов B⁺. Доза 3,5 • 10¹² см^-2, энергия 110 кэВ. Создают фоторезистивную маску с рисунком окон под омические контакты. Напыляют композицию металлов Au-Ge-Ni-Au, удаляют фоторезист. Вплавляют контакты на установке лампового отжига "Импульс-5".

Наносят слой SiO₂ толщиной 0,7 мкм. Используют установку плазмохимического осаждения "Изоплаз". Для осуществления данного способа нет необходимости в планаризации слоя SiO₂ и омических контактов.

Создают фоторезистивную маску с окном вдоль областей канала и омического контакта /стока или истока/, см. фиг. 1. Граница фоторезистивной маски над областью канала определяет расположение затворной щели в слое SiO₂. Граница фоторезистивной маски над областью омического контакта, а также над областями полупроводника за пределами канала функционального значения не имеет. Расположение окна может быть и таким, как указано в прототипе, внутри области канала. Для создания маски используют фоторезисты ФП-201, ФП-25КС, обладающие хорошей адгезией к поверхности SiO₂ и плазмоустойчивостью. Фоторезисты ФП-51Т, ФП-383 не обеспечивают контролируемого растрава под маской.

Для вытравливания углубления в слое SiO₂ применяют жидкостное травление или сочетание жидкостного и направленного плазмохимического травления. В конкретном примере вытравливают углубление ≈ 0,35 мкм в слое SiO₂ по маске фоторезиста в буферном растворе HF : NH₄F : H₂O = 80 : 200 : 300 за t = 1 мин 45 сек, см. фиг. 2. Толщина слоя SiO₂ в углублении ≈ 0,35 мкм. Подтрав SiO₂ под краем фоторезистивной маски практически изотропный. Величина углубления в слое SiO₂ определяет в дальнейшем толщину остаточного слоя диэлектрика за пределами металлической маски.

Напыляют вспомогательный слой ванадия толщиной ≈ 0,1 мкм. При толщинах слоя ванадия менее 500 увеличивается количество пор в пленке. Напыление слоя толщиной более 0,15 мкм нецелесообразно, так как затрудняется "взрыв" фоторезистивной маски из-за термического воздействия при осаждении металла.

Удаляют фоторезистивную маску растворением в диметилформамиде. Металл остается в углублении слоя SiO₂, см. фиг. 3. Металлическая маска обладает хорошей адгезией к поверхности SiO₂. Эффекты отслаивания и растрескивания, характерные для нанесения вспомогательных слоев диэлектрика, не наблюдаются. Зазор между краем металлической маски и стенкой углубления в SiO₂, сужающийся с увеличением глубины, образуется за счет бокового растрава SiO₂ при формировании углубления.

Далее утоняют участки слоя SiO₂, выходящие за пределы металлической маски в углублении, направленным плазмохимическим травлением. Используют установку 08-ПХО-100Т-005. Режим травления: среда C₃F₈, P ≈ 3 - 5 Па, W ≈ 500 Вт, t = 35 мин. В процессе травления слоя SiO₂ толщины плоскопараллельных участков, за пределами металлической маски и защищаемых маской, выравниваются, а по периметру маски образуется суживающаяся щель в слое SiO₂, см. фиг. 4. Размер вытравленной щели на поверхности полупроводника в канале и определяет длину затвора транзистора. В зависимости от времени травления по металлической маске t = 30 - 40 мин длина затвора варьируется от 0,15 - 0,25 мкм, что обусловлено расширением щели для меньших толщин остаточного слоя SiO₂. В конкретном примере реализации способа при t = 0,35 мин размер щели составил 0,2 мкм, толщина остаточного слоя ≈ 0,3 мкм.

Для получения меньших размеров затворной щели 0,1 - 0,15 мкм углубление в слое SiO₂ по маске фоторезиста формируют, сочетая изотропное травление на глубину ≈ 0,15 мкм и направленное плазмохимическое травление на глубину ≈ 0,2 мкм, что уменьшает боковой растрав SiO₂ под краем маски. Величина углубления в слое SiO₂ определяет толщину остаточного слоя диэлектрика за пределами металлической маски, так как часть диэлектрика по периферии металлический маски должна быть удалена в процессе травления затворной щели. Углубление менее 0,2 мкм нецелесообразно из-за нарушения механической прочности тонких кромок диэлектрика при напылении затвора. Для получения однородного по толщине диэлектрического слоя с минимальным размером затворной щели величина углубления должна быть не менее половины исходной толщины слоя SiO₂. При исходной толщине слоя SiO₂ ≈ 0,7 мкм целесообразно травление на глубину 0,35 - 0,4 мкм.

В случае вытравливания углубления в слое SiO₂ на ≈ 0,35 мкм посредством только направленного плазмохимического травления величина зазора настолько мала /менее 0,1 мкм/, что металл частично запыляет боковые стенки углубления, при этом необходимо увеличивать время направленного травления по маске металла, t = 45 - 55 мин. Размер формируемой затворной щели ≤ 0,1 мкм, толщина остаточного слоя диэлектрика за пределами металлической маски ≈ 0,15 мкм.

Нанесение слоя SiO₂ толщиной менее 0,4 мкм нецелесообразно, так как толщина остаточного слоя будет менее 0,2 мкм, при этом имеет место обламывание нависающих кромок диэлектрической маски при напылении затворного слоя металла. При толщинах слоя SiO₂ более 0,8 мкм возрастает неравномерность слоя диэлектрика по площади пластины, что приводит к увеличению разброса длины затвора.

Удаляют маску ванадия в растворе перекиси водорода H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 за t = 1 мин. Травление полупроводника при этом не происходит. На поверхности пластины остается однородный по толщине слой SiO₂ с рисунком затворной щели.

Далее формируют фоторезистивную маску с расширенным рисунком затвора, см. фиг. 5. Вытравливают подзатворную область в канале транзистора по маске SiO₂. Используют раствор NH₄OH : H₂O₂ : H₂O = 1 : 0,5 : 40, t = 1 мин 10 с. Для принятой ориентации кристаллографического направления пластины вдоль затворной щели подзатворная область в канале имеет отрицательный профиль боковых граней.

Напылением слоя V - Au - V толщиной ≈ 0,7 мкм и последующим удалением фоторезистивной маски формируют затвор, см. фиг. 6.

Грибообразная конструкция обеспечивает высокую проводимость затвора при субмикронной эффективной длине.

Пример 2. На пластине арсенида галлия с активным слоем изолируют активные области полупроводниковых приборов меза-травлением на глубину 0,8 мкм. Используют травитель H₃PO₄ : H₂O₂ : H₂O = 15 : 1 : 100, t ≈ 15 мин. Формируют омические контакты. Наносят слой SiO₂ толщиной ≈ 0,75 мкм. Создают фоторезистивную маску с окном вдоль областей канала и омического контакта /стока или истока/ транзистора, см. пример 1. Используют фоторезисты ФП-201, ФП-25КС. Режим термообработки: 140^oC, 25 мин. Вытравливают углубление в слое SiO₂ на ≈ 0,4 мкм в буферном растворе HF : NH₄F : H₂O = 80 : 200 : 300 за t = 2 мин.

Напыляют последовательно вспомогательный слой металлов ванадия ≈ 0,1 мкм и никеля ≈ 400 Удаляют фоторезистивную маску с нанесенным слоем металлов. Ванадий обеспечивает хорошую адгезию металлической маски к поверхности SiO₂. Никель защищает слой ванадия от травления в буферном растворе. В отсутствии никеля происходит вытравливание диэлектрика под слоем ванадия по микроскопическим порам. Напыление слоя никеля толщиной менее 100 не обеспечивает защиты от микротравления ванадия. При толщинах более 700 затрудняется "взрыв" фоторезистивной маски из-за термического воздействия при напылении.

Далее утоняют слой SiO₂, находящийся за пределами металлической маски, в буферном растворе. При этом по периметру маски образуется суживающаяся щель в слое SiO₂. Размер щели на поверхности полупроводника составляет 0,3 - 0,4 мкм при продолжительности травления t = 2 - 2,5 мин.

Удаляют вспомогательный слой: никеля в растворе HNO₃ : H₂O = 10 : 300 за t = 2 мин, ванадия в растворе H₂O₂ : H₂O = 1 : 1 за t = 1 мин. В конкретном примере размер затворной щели составил ≈ 0,35 мкм при травлении слоя SiO₂ по маске металла в течение t = 2 мин 10 с.

Создают фоторезистивную маску с расширенным рисунком затвора. Вытравливают подзатворную область в канале. Напылением и последующим "взрывом" металлизации V-Au-V формируют затвор транзистора.

В данном примере изготовления субмикронных затворов 0,3 - 0,4 мкм не требуется специального оборудования для направленного плазмохимического травления диэлектрика.

Технический результат, достигаемый при реализации способа, заключается в увеличении выхода годных приборов на 2 - 3% за счет устранения эффектов отслаивания и растрескивания многослойного диэлектрического покрытия, так как в предлагаемом способе затворную щель формируют в однородном по составу диэлектрическом слое. Предложенным способом изготовлены грибообразные затворы с эффективной длиной менее 0,4 мкм на базе контактной фотолитографии и широко распространенных операций напыления и травления металлов, что значительно упрощает технологию. В отличие от методов электронно- и рентгенолитографии предложенный способ не требует сложного дорогостоящего оборудования.

Использование: полупроводниковая техника, для изготовления полевых транзисторов Шоттки с грибообразным затвором субмикронной длины. Сущность изобретения: затворную щель 0,1-0,15 мкм в слое диэлектрика формируют с помощью контактной фотолитографии путем вытравливания несквозного углубления в слое SiO₂ с контролируемым боковым растравом под фоторезистивную маску, напыления вспомогательного слоя металла, удаления фоторезиста, травления SiO₂ по маске металла в углублении до вскрытия поверхности полупроводника в канале. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии и повышение выхода годных приборов за счет уменьшения количества диэлектрических слоев на пластине и устранения эффектов отслаивания и растрескивания многослойного диэлектрического покрытия. 6 ил.

Способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий изоляцию активных областей на пластине арсенида галлия с активным слоем, нанесение слоя SiO₂, формирование омических контактов, создание фоторезистивной маски с окном над областью канала, травление слоя SiО₂, удаление фоторезиста, формирование маскирующего покрытия в вытравленном углублении слоя SiО₂, создание фоторезистивной маски с расширенным рисунком затвора, формирование затворной щели в диэлектрическом слое, вытравливание подзатворной области в канале, формирование "взрывом" грибообразного затвора, отличающийся тем, что после изоляции активных областей формируют омические контакты, после создания фоторезистивной маски вытравливают несквозное углубление в слое SiО₂, напыляют вспомогательный слой металла, удаляют фоторезист с напыленным слоем металла, травят слой SiО₂ по маске металла до вскрытия затворной щели, удаляют вспомогательный слой металла, а после создания фоторезистивной маски с расширенным рисунком затвора вытравливают подзатворную область в канале.