СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО ДМОП-ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2002 года по МПК H01L21/335 

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности к методам создания мощных кремниевых ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой.

Известен типовой подход к формированию структуры активной области мощных ДМОП-транзисторов, принятый в качестве способа-аналога, который базируется на следующей совокупности и последовательности основных технологических операций: формирование защитного покрытия из термической двуокиси кремния и низкоомного поликремния (как правило легированного фосфором) на лицевой стороне исходной кремниевой пп⁺ - или рр⁺ - подложки первого типа проводимости; вытравливание окон в защитном покрытии для формирования транзисторных ячеек и общего затворного узла в активной области структуры; создание в высокоомном слое подложки в каждой транзисторной ячейке шунтирующей и канальной областей второго типа проводимости и истоковой области первого типа проводимости; осаждение межслойного диэлектрика (обычно из пиролитической двуокиси кремния, легированной фосфором) на лицевую сторону подложки; вскрытие контактных окон истока и затвора в межслойном диэлектрике; формирование металлических электродов истока и затвора на лицевой стороне подложки и металлического электрода стока на ее тыльной стороне (патент США 4970173 "Method of making high voltage vertical field effect transistor with improved safe operating area", опубликованный 13.11.1990 г.) В этом случае затворный узел, включающий в себя подзатворный диэлектрик из термической двуокиси кремния толщиной d_под и электрод затвора из низкоомного поликремния, формируется из защитного покрытия на начальной стадии технологического маршрута, а шунтирующие, канальные и истоковые области транзисторных ячеек создаются позже последовательным внедрением легирующих примесей в подложку и последующим диффузионным перераспределением внедренных примесей при использовании ранее сформированного затворного узла в качестве защитной маски при ионной имплантации или диффузионной загонке примесей в подложку. В итоге реализуется так называемая "ДМОП-структура с самосовмещенным относительно истока электродом затвора", являющаяся основой современных серий, но выпускаемых коммерческих приборов, в которой индуцированный канал первого типа проводимости образуется на торцах канальных областей, прилегающих к подзатворному диэлектрику, при приложении положительного потенциала к электроду затвора. Недостатком ДМОП-структуры, изготовленной по способу-аналогу, является то, что в ней высоколегированные шунтирующие области (прослойки) выходят за пределы канальных областей транзисторных ячеек, приводя к увеличению шага структуры и дополнительному искривлению объемной части стокового р-п перехода, и, как результат, к уменьшению плотности компоновки конструктивных элементов в активной области приборной структуры и снижению пробивных напряжений стока.

В качестве прототипа выбран усовершенствованный вариант технологического процесса изготовления ДМОП-транзистора с вертикальной структурой, в соответствии с которым шунтирующие прослойки формируются после создания канальных областей транзисторных ячеек и полностью вписываются в их границы (Европейский патент 0481153А1 "Process for accomplishment of power MOS transistors with vertical current flow and transistor thus obtained", опубликованный 22.04.1992 г. ) При прочих равных условиях способ-прототип обеспечивает более высокую плотность компоновки конструктивных элементов в активной области ДМОП-структуры и более высокое пробивное напряжение стока по сравнению с аналогом. Однако и прототип, и другие известные модификации прототипа и способа-аналога не позволяют создавать мощные МДП-транзисторы с приемлемым для современной радиоэлектронной аппаратуры специального назначения уровнем стойкости к воздействию ионизирующих излучений, что является их основным недостатком. Низкая радиационная стойкость таких приборов обусловлена следующими причинами:
- воздействием температур свыше 1000^oС на затворный узел приборной структуры при создании шунтирующих прослоек и канальных областей транзисторных ячеек, приводящих к деградации первоначальных свойств подзатворного диэлектрика;
- отсутствием возможности использования каких-либо дополнительных мер для повышения радиационной стойкости подзатворного диэлектрика, в частности пассивации подзатворного диэлектрика фосфорносиликатным стеклом (в этом случае при последующих за пассивацией высокотемпературных процессах фосфор диффундирует из стекла в подзатворный диэлектрик на большую глубину, что приводит к резкому возрастанию токов утечки затвора, снижению пробивных напряжений диэлектрика, а зачастую и к его полному пробою);
- отсутствие возможности использования в качестве электрода затвора вместо поликремния какого-либо другого альтернативного материала.

Цель настоящего изобретения повышение стойкости данных приборов к воздействию ионизирующих излучений (прежде всего к гамма-излучению) до уровня требований, предъявляемых к современной радиоэлектронной аппаратуре специального назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления ДМОП-транзистора, включающем формирование защитного покрытия из термической двуокиси кремния и поликремния на лицевой стороне исходной кремниевой пп⁺ - или pp⁺ - подложки первого типа проводимости, вытравливание окон в защитном покрытии для формирования транзисторных ячеек и затворного узла в активной области структуры, создание в высокоомном слое подложки канальных областей транзисторных ячеек второго типа проводимости и внутри канальных областей шунтирующих прослоек второго типа проводимости и истоковых областей первого типа проводимости, осаждение межслойного диэлектрика на лицевую сторону подложки, вскрытие контактных окон истока и затвора в межслойном диэлектрике, формирование металлических электродов истока и затвора на лицевой стороне подложки и металлического электрода стока на ее тыльной стороне, в защитном покрытии на поликремний дополнительно наращивают слой нитрида кремния, слой термической двуокиси кремния в защитном покрытии формируют толщиной , перед осаждением межслойного диэлектрика в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек локально выращивают дополнительный слой термической двуокиси кремния толщиной d_лок≥2d_под, затем удаляют защитное покрытие с лицевой стороны подложки и формируют между дополнительными локальными слоями термической двуокиси кремния на месте удаленного защитного покрытия подзатворный диэлектрик толщиной d_под из термической двуокиси кремния, пассивированной фосфорносиликатным стеклом, и электрод затвора из низкоомного поликремния или тугоплавкого металла.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новой совокупности и последовательности технологических операций: наращивание дополнительного слоя нитрида кремния на поликремний в защитном покрытии; формирование слоя термической двуокиси кремния в защитном покрытии определенной толщины; локальное выращивание дополнительного слоя термической двуокиси кремния определенной толщины в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек перед осаждением межслойного диэлектрика на лицевую сторону подложки; формирование подзатворного диэлектрика из термической двуокиси кремния и электрода затвора из низкоомного поликремния или тугоплавкого металла между дополнительными локальными слоями термической двуокиси кремния после удаления защитного покрытия с лицевой стороны подложки; пассивация подзатворного диэлектрика фосфорносиликатным стеклом. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Формирование затворного узла приборной структуры после создания канальных, шунтирующих и истоковых областей транзисторных ячеек позволяет:
- избежать деградации первоначальных свойств подзатворного диэлектрика и затворного узла в целом за счет исключения воздействия высоких температур (>1000^oС) на уже сформированный затворный узел;
- использовать в необходимых случаях в качестве электрода затвора помимо поликремния и другие альтернативные материалы, в частности тугоплавкие металлы и их силициды;
- провести пассивацию подзатворного диэлектрика фосфорносиликатным стеклом для связывания поступающих из электрода затвора и образованных непосредственно в подзатворном диэлектрике под действием ионизирующего излучения подвижных зарядов в неподвижные комплексы;
- и, как результат, создать необходимые предпосылки для формирования радиационностойкого затворного узла приборной структуры. Локальное выращивание дополнительного слоя термической двуокиси кремния в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек в заявляемом способе позволяет избирательно удалить оставшуюся после вытравливания окон часть защитного покрытия с лицевой стороны подложки и сформировать на этом месте затворный узел ДМОП-структуры, то есть изготовить приборную структуру, отличающуюся от "ДМОП-структуры с самосовмещенным относительно истока электродом затвора" лишь тем, что в ней электрод затвора на величину ошибки совмещения может выходить за пределы подзатворного диэлектрика и частично располагаться на локальном слое термической двуокиси кремния, внося таким образом дополнительный вклад во входную емкость ДМОП-структуры При толщине локального слоя термической двуокиси кремния блок над истоковыми областями транзисторных ячеек в 2-3 раза превышающей толщину подзатворного диэлектрика d_под, то есть при выполнении оговоренного в формуле изобретения условия d_лок≥2d_под, дополнительный прирост входной емкости может быть сведен к минимуму.

Наращивание дополнительного слоя нитрида кремния на поликремний в защитном покрытии обеспечивает возможность формирования локальных слоев термической двуокиси кремния в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек, то есть защитное покрытие в заявляемом способе помимо своей традиционной роли - служить защитной маской при последовательном внедр ении легирующих примесей в подложку, выполняет и специфические, не свойственные прототипу, функции. Необходимость соблюдения условия , где - толщина термической двуокиси кремния под поликремнием в защитном покрытии, обусловлена тем, чтобы в процессе удаления оставшейся после вытравливания окон части защитного покрытия с лицевой стороны подложки геометрические размеры дополнительных локальных слоев термической двуокиси кремния в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек не претерпевали существенных изменений. Высокую избирательность при удалении оставшейся части защитного покрытия с лицевой стороны подложки обеспечивает и присутствие поликремния в защитном покрытии.

В предлагаемом изобретении новая совокупность и последовательность технологических операций обеспечивают возможность создания мощных кремниевых ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой, эквивалентных ДМОП-транзисторам с самосовмещенным относительно истока электродом затвора по реализуемым конечным параметрам, но обладающих по сравнению с приборами, формируемыми по способу-прототипу, расширенными функциональными возможностями, а именно более высокой радиационной стойкостью, то есть проявляет новое техническое свойство. Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Данное изобретение также существенно, так как оно обеспечивает значительный технический эффект, заключающийся:
- в возможности повышения радиационной стойкости серийно выпускаемых мощных коммерческих ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой посредством доработки базового технологического процесса их изготовления;
- в возможности создания нового поколения мощных кремниевых ДМОП-транзисторов и на их основе - нового поколения радиоэлектронной аппаратуры, отвечающей современным и перспективным требованиям по массогабаритным показателям, энергетическим параметрам, надежности, сроку службы и стойкости к спецфакторам.

На фиг. 1, 2, 3, 4, 5 изображены основные этапы изготовления мощного кремниевого ДМОП-транзистора с вертикальной структурой согласно изобретению, где введены следующие обозначения:
1 - исходная кремниевая подложка с нижним высоколегированным и верхним слаболегированным слоями первого типа проводимости;
2 - трехслойное защитное покрытие;
3 - слой термической двуокиси кремния в защитном покрытии;
4 - слой поликремния в защитном покрытии;
5 - слой нитрида кремния в защитном покрытии;
6 - сквозные окна в защитном покрытии;
7 - канальные области транзисторных ячеек второго типа проводимости;
8 - высоколегированные шунтирующие прослойки в транзисторных ячейках второго типа проводимости;
9 - истоковые области транзисторных ячеек первого типа проводимости;
10 - локальные слои термической двуокиси кремния в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек;
11 - подзатворный диэлектрик из термической двуокиси кремния, пассивированной фосфорносиликатным стеклом;
12 - электрод затвора из низкоомного поликремния или тугоплавкого металла;
13 - межслойный диэлектрик;
14 - контактные окна истока, вскрытые в межслойном диэлектрике и локальном слое термической двуокиси кремния;
15 - металлический электрод истока;
16 - металлический электрод стока.

Пример
Предложенный способ был использован при изготовлении мощных переключательных п-канальных ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой, рассчитанных на диапазон рабочих напряжений сток-исток до 250 В. Способ осуществляют следующим образом. На лицевой стороне исходной кремниевой пп⁺-подложки (1) с ориентацией кристаллографических осей по плоскости (100), состоящей из нижнего высоколегированного п⁺-слоя с удельным сопротивлением ρ_п+ = 0,005 Ом/см и верхнего эпитаксиального п-слоя с ρ_п = 5...6 Ом/см и толщиной d_п=15...17 мкм, в активной области приборных структур (чипов, кристаллов) формируют защитное покрытие (2), состоящее из слоя двуокиси кремния (3) толщиной слоя поликремния (4) толщиной 0,3...0,6 мкм и слоя нитрида кремния (5) толщиной 0,2. ..0,3 мкм - фиг.1 (периферийная часть приборной структуры с элементами краевой защиты стокового р-п перехода не показана). Слой двуокиси кремния (3) образовывался термическим окислением кремниевой подложки в среде сухого кислорода или паров воды при температуре 900... 1000^oС, а поликремний (4) и нитрид кремния (5) получали соответственно из моносилановой смеси и смеси дихлорсилана и аммиака при температуре рабочей зоны печи 625±5^oС и 770+10^oС. Затем методом фотолитографии в защитном покрытии (2) вскрывались сквозные окна (6) в форме квадрата размером 16х16 мкм, отстоящие друг от друга на расстоянии 16 мкм, и последовательным внедрением примесей в подложку через окна (6) в защитном покрытии с последующим диффузионным перераспределением внедренных примесей при температуре 900...1150^oС в эпитаксиальном п-слое подложки создавались р-канальные области (7) транзисторных ячеек с поверхностным сопротивлением R_sp = 400±50 Ом/□ и толщиной d_p= 3±0,5 мкм и внутри канальных областей - шунтирующие р⁺-прослойки (8) с поверхностным сопротивлением R_sp+ = 80±10 Ом/□ и толщиной d_p+=1,2±0,4 мкм и истоковые п⁺ области (9) с R_sп+ = 25±5 Ом/□ и толщиной d_п+=0,45±0,1 мкм - фиг.2 (в каждой приборной структуре размером 4,32х4,32 мкм содержалось около 14000 транзисторных ячеек). Канальные р-области создавались имплантацией ионов бора с энергией Е=50...100 КэВ и дозой Q=12...16 мкК/см² с последующей разгонкой внедренной примеси при Т=1150^oС в течение 250 минут в среде азота и кислорода. Шунтирующие прослойки формировались диффузией бора из нитрида бора при Т=925^oС в течение 40 минут с последующим диффузионным перераспределением внедренной примеси при Т=900...950^oС в течение 30...40 минут в среде азота и кислорода. Истоковые п⁺-области транзисторных ячеек образовывались внедрением ионов мышьяка с энергией Е=20...25 КэВ и дозой Q=800...1000 мкК/см² с последующей разгонкой внедренной примеси при Т=1000^oС в течение 25. . . 30 минут в среде кислорода. После этого термическим окислением кремниевой подложки (1) в среде сухого кислорода и паров воды при Т=950...1050^oС в окнах (6) над истоковыми областями транзисторных ячеек (9) выращивали дополнительный локальный слой термической двуокиси кремния (10) толщиной d_лок= 0,3. . . 0,5 мкм (фиг.2), послойным стравливанием нитрида кремния (5), поликремния (4) и двуокиси кремния (3) удаляли оставшуюся после вытравливания окон (6) часть защитного покрытия (2) с лицевой стороны подложки (фиг. 3), термическим окислением вскрытых между дополнительными локальными слоями термической двуокиси кремния (10) участков кремниевой подложки при Т=950... 970^oС в среде сухого кислорода и паров воды на месте удаленного защитного покрытия формировали подзатворный диэлектрик (11) толщиной диффузией фосфора из метафосфата алюминия при Т=950... 970^oС в среде азота пассивировали подзатворный диэлектрик фосфорносиликатным стеклом (на фиг.4 и 5 ФСС не показано), на лицевую сторону подложки осаждали магнетронный молибден толщиной 0,2...0,25 мкм или легированный фосфором поликремний толщиной 0,6...0,7 мкм и методом фотолитографии формировали из них над подзатворным диэлектриком электрод затвора (12) приборной структуры (фиг. 4), наносили на лицевую сторону подложки межслойный диэлектрик (13) толщиной 0,8...1,4 мкм из пиролитической двуокиси кремния, легированной фосфором (фиг. 4), вскрывали в межслойном диэлектрике (13) и лежащим под ним дополнительном локальном слое термической двуокиси кремния (10) сквозные окна (14) размером 10х10 мкм над истоковыми областями (9) транзисторных ячеек (фиг. 4), магнетронным распылением на лицевую сторону подложки осаждали слой алюминия толщиной 2...4 мкм и методом фотолитографии формировали из него электрод истока (15) приборной структуры и контактные площадки истока и затвора (на фиг. 5 не показаны) для присоединения к приборной структуре (кристаллу, чипу) внешних алюминиевых выводов.

Стоковый электрод (16) на тыльной стороне подложки создавался при напайке кристалла на теплоотводящую поверхность металлокерамического корпуса КТ-57 при T=400...450^oС в среде азота с помощью золотой прокладки толщиной 15...20 мкм (фиг.5).

Используя тот же комплект фотошаблонов и исходные кремниевые подложки того же типономинала были дополнительно изготовлены образцы мощных п-канальных ДМОП-транзисторов по способу-прототипу, а также по заявляемому способу, но без промежуточного слоя поликремния в защитном покрытии. Электрофизические параметры и размеры конструктивных элементов приборных структур при этом были идентичны описанным выше. В ДМОП-транзисторах, изготовленных по способу-прототипу, затворный узел формировали на начальной стадии технологического процесса из защитного покрытия, которое состояло из термической двуокиси кремния толщиной и легированного фосфором слоя поликремния толщиной 0,5. ..0,6 мкм, при этом слой термической двуокиси кремния формировался точно так же, как подзатворный диэлектрик в заявляемом способе, но не пассивировался фосфорносиликатным стеклом. Найти эффективный способ пассивации подзатворного диэлектрика в этом случае не представлялось возможным, так как при последующем за пассивацией высокотемпературном (>1000^oС) процессе формирования канальных областей транзисторных ячеек фосфор глубоко проникал в подзатворный диэлектрик, что приводило к резкому снижению пробивных напряжений диэлектрика и резкому возрастанию токов утечки затвора. Использование же в заявляемом способе защитного покрытия без поликремния оказалось возможным, однако при этом возникали трудности с реализацией толщины локального слоя термической двуокиси кремния над истоковыми областями транзисторных ячеек более 0,3 мкм.

Электрические параметры ДМОП-транзисторов, изготовленных по заявляемому и способу-прототипу, приведены в таблице. Все приборы изготовлены с помощью одного и того же комплекта фотошаблонов, были смонтированы в герметичном металлокерамическом корпусе с полосковыми выводами и плоским фланцем типа КТ-57, имели суммарную протяженность (ширину) канала около 105 см и идентичную краевую защиту стокового р-п перехода. Из таблицы видно, что при сопоставимых электрических параметрах изготовленные по заявляемому способу приборы существенно превосходят ДМОП-транзисторы, изготовленные по способу-прототипу, по стойкости к спецфакторам. Стойкость к спецфакторам в данном случае оценивалась по сдвигу порогового напряжения при воздействии гамма-излучения дозой 10⁵ рад.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоит:
а) в возможности создания мощных кремниевых ДМОП-транзисторов, эквивалентных по реализуемым конечным параметрам современным коммерческим ДМОП-транзисторам с самосовмещенным относительно истока электродом затвора, но обладающих существенно более высокой радиационной стойкостью, то есть расширенными функциональными возможностями;
б) в возможности повышения радиационной стойкости серийно выпускаемых мощных коммерческих ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой посредством доработки базового технологического процесса их изготовления;
в) в возможности создания нового поколения мощных кремниевых ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой и на их основе - нового поколения радиоэлектронной аппаратуры, отвечающей современным и перспективным требованиям по массогабаритным показателям, энергетическим параметрам, надежности, сроку службы и стойкости к спецфакторам.

Использование: в электронной полупроводниковой технике, в методах создания мощных кремниевых ДМОП-транзисторов с вертикальной структурой. Сущность изобретения: способ отличается наличием новой совокупности и последовательности технологических операций: наращивание дополнительного слоя нитрида кремния на поликремний в защитном покрытии, формирование слоя термической двуокиси кремния в защитном покрытии определенной толщины, локальное выращивание дополнительного слоя термической двуокиси кремния определенной толщины в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек перед осаждением межслойного диэлектрика на лицевую сторону подложки, удаление защитного покрытия с лицевой стороны подложки и формирование подзатворного диэлектрика из термической двуокиси кремния, пассивированной фосфорносиликатным стеклом, и электрода затвора из низкоомного поликремния или тугоплавкого металла между дополнительными локальными слоями термической двуокиси кремния. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости данных приборов к воздействию ионизирующих излучений (прежде всего к гамма-излучению) до уровня требований, предъявляемых к современной радиоэлектронной аппаратуре специального назначения. 1 с.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления мощного ДМОП-транзистора, включающий формирование защитного покрытия из термической двуокиси кремния и поликремния на лицевой стороне исходной кремниевой пп⁺- или рр⁺- подложки первого типа проводимости, вытравливание окон в защитном покрытии для формирования транзисторных ячеек и затворного узла в активной области структуры, создание в высокоомном слое подложки канальных областей транзисторных ячеек второго типа проводимости и внутри канальных областей шунтирующих прослоек второго типа проводимости и истоковых областей первого типа проводимости, осаждение межслойного диэлектрика на лицевую сторону подложки, вскрытие контактных окон истока и затвора в межслойном диэлектрике, формирование металлических электродов истока и затвора на лицевой стороне подложки и металлического электрода стока на ее тыльной стороне, отличающийся тем, что в защитном покрытии на поликремний дополнительно наращивают слой нитрида кремния, слой термической двуокиси кремния в защитном покрытии формируют толщиной d_SiO2защ≤0,3d_под, перед осаждением межслойного диэлектрика в окнах защитного покрытия над истоковыми областями транзисторных ячеек локально выращивают дополнительный слой термической двуокиси кремния толщиной d_лок≥2d_под, затем удаляют защитное покрытие с лицевой стороны подложки и формируют между дополнительными локальными слоями термической двуокиси кремния на месте удаленного защитного покрытия подзатворный диэлектрик толщиной d_под из термической двуокиси кремния, пассивированной фосфорносиликатным стеклом, и электрод затвора из низкоомного поликремния или тугоплавкого металла.