МОП-ТРАНЗИСТОР С ВЫСОКИМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ И С ВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01L29/76 H01L21/336 

Область техники
Изобретение касается МОП-транзистора и способа его изготовления, благодаря чему можно подавлять эффект короткого канала, обусловленный миниатюризацией устройства, и поддерживать высокое быстродействие.

Предшествующий уровень техники
Благодаря ускоренному прогрессу в области производства полупроводниковых приборов такие устройства, как МОП-транзисторы, удалось миниатюризировать до размеров порядка четверти микрона. В результате определенные явления, включая эффект короткого канала, могут влиять на характеристики устройств.

Эффект короткого канала сводится к снижению порогового напряжения транзистора при уменьшении длины канала. Пороговое напряжение транзистора малых размеров, т. е. имеющего длину канала меньше 0,4 мкм, уменьшается экспоненциально с уменьшением длины канала. Эффект имеет место потому, что более короткий канал имеет относительно большой участок своей активной области, находящийся под влиянием напряжения стока, в сравнении с участком, находящимся под влиянием напряжения затвора.

Эффект можно несколько смягчать, задавая минимальный размер транзистора, который был бы больше, чем размер транзистора, имеющего минимально приемлемые характеристики порогового напряжения.

Эффект короткого канала можно представить с помощью модели одномерного заряда. Кроме того, точная модель для объяснения эффекта короткого канала была реализована при помощи анализа численного значения согласно снижению двумерного потенциального барьера.

Были реализованы различные подходы к сглаживанию эффекта короткого канала. Например, можно уменьшить толщину оксидного слоя затвора, максимальную ширину обедненного слоя под затвором и плотность примеси в подложке. Для подавления эффекта важно также формировать неглубокий переход.

Соответственно, в области сверхвысокой интеграции (СВИ) был представлен подход неглубокого ионного внедрения. Кроме того, неглубокие переходы могут быть реализованы путем использования процесса отжига с быстрым нагревом (ОБН) для тепловой обработки. Результатом этих методик явились первые шаги, которые МОП-транзистор с коротким каналом делает на пути внедрения в массовое производство.

Однако вместо того, чтобы внедрять методики формирования неглубокого перехода, многие считают, что общепринятые методики для неглубокого перехода достигли пределов своей применимости к массовому производству устройств высокой плотности и высокой степени интеграции, в частности, тех устройств, размеры которых достигают четверти микрона.

Стандартный МОП-транзистор обычно снабжается структурой легко допированного стока (ЛДС). Такую структуру ЛДС наносят на среднедопированный сток (СДС) в структуре неглубокого перехода. Структура СДС по сравнению с ЛДС улучшила характеристики устройства благодаря увеличению уровня примеси области ЛДС от 1•10¹⁴см^-2 до 1•10¹⁵см^-2. Однако проблема в том, что эффект короткого канала, обусловленный созданием короткого канала, вызван, главным образом, возрастанием уровня допирования в области СДС.

Краткое изложение существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания МОП-транзистора, обладающего высоким быстродействием и высокой производительностью, а также способа его изготовления, который позволит предотвратить эффект короткого канала, обусловленный миниатюризацией устройства.

В соответствии с настоящим изобретением разработан МОП-транзистор. Согласно изобретению транзистор включает полупроводниковую подложку, допированную примесью первого типа проводимости, изолирующий слой затвора, сформированный на полупроводниковой подложке, электроды затвора, сформированные на изолирующем слое затвора, и слой диэлектрика, сформированный на электроде затвора. Вокруг электродов затвора формируется первая прокладка, а на первой боковой стенке первой прокладки формируется вторая прокладка. Первый слой примеси с низкой концентрацией формируется на первой глубине путем внедрения примеси второго типа проводимости в полупроводниковую подложку так, чтобы он начинал сходить на нет на краю электрода затвора. Второй слой примеси со средней концентрацией формируется на второй глубине, большей по сравнению с первой, путем внедрения примеси второго типа проводимости в полупроводниковую подложку так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки. Третий слой примеси, имеющий более высокую концентрацию примеси, чем полупроводник, формируется на третьей глубине для окружения второго слоя примеси со средней концентрацией путем внедрения примеси первого типа проводимости в полупроводниковую подложку так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки. Четвертый слой примеси с высокой концентрацией формируется на четвертой глубине, большей, чем третья глубина, путем внедрения примеси второго типа проводимости в полупроводниковую подложку так, чтобы он начинал сходить на нет на краю второй прокладки.

Дополнительно, согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления МОП-транзистора. Способ включает формирование изолирующего слоя затвора, допированного примесью первого типа проводимости, формирование электродов затвора на изолирующем слое затвора и формирование слоя диэлектрика на электродах затвора. Способ дополнительно включает формирование первого примесного слоя с низкой концентрацией, имеющего первую глубину, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси первого типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю электродов затвора. На боковой стенке электродов затвора формируется первая прокладка. Второй примесный слой со средней концентрацией формируется на второй глубине, большей по сравнению с первой глубиной, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости. Третий примесный слой с более высокой, чем в полупроводнике, концентрацией примеси формируется на третьей глубине для окружения второго примесного слоя со средней концентрацией путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси первого типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки. Вторая прокладка формируется на боковой стенке первой прокладки, и четвертый примесный слой формируется на четвертой глубине, большей по сравнению с третьей глубиной, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю второй прокладки.

Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание конкретных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает структуру МОП-транзистора (поперечное сечение) с высоким быстродействием и с высокой производительностью, согласно изобретению,
фиг. 2-6 изображают МОП-транзистор (поперечное сечение) на разных этапах осуществления способа изготовления МОП-транзистора, согласно изобретению.

Подробное описание преимущественного варианта осуществления изобретения
На фиг.1 представлено схематическое изображение поперечного сечения одного из вариантов осуществления МОП-транзистора. МОП-транзистор, согласно изобретению, содержит полупроводниковую подложку 10, которая может быть допирована примесью Р-типа (первый тип проводимости). На полупроводниковой подложке 10 формируется изолирующий слой 12 затвора, и на изолирующем слое 12 затвора формируется электрод 14 затвора. На электроде 14 завтора формируется слой диэлектрика 16. Вокруг электрода 14 затвора формируется первая прокладка 18, а на первой боковой стенке первой прокладки 18 формируется вторая прокладка 20. Область ЛДС 22, т.е. первый примесный слой с низкой концентрацией, имеющий первую глубину, область СДС 24, т.е. второй примесный слой со средней концентрацией, имеющий вторую глубину, большую, чем первая глубина, карман 26 Р-типа, т.е. третий примесный слой, имеющий более высокую концентрацию примеси, чем концентрация примеси в полупроводниковой подложке 10, и область 28 истока/стока, т.е. четвертый слой с высокой концентрацией примеси, - все они формируются, как показано на фиг.1.

Область ЛДС 22 формируется путем внедрения примеси N-типа (второй тип проводимости) в полупроводниковую подложку 10 так, чтобы эта область начинала сходить на нет на краю электрода 14 затвора. Область СДС 24 формируется путем предоставления возможности примеси второго типа проводимости внедряться в полупроводниковую подложку 10 так, чтобы эта область начинала сходить на нет на краю первой прокладки 18. Карман 26 формируется путем внедрения примеси первого типа проводимости в полупроводниковую подложку 10 и этот карман имеет третью глубину, что позволяет ему окружать второй примесный слой 24. Область истока/стока 28 формируется путем внедрения примеси второго типа проводимости в полупроводниковую подложку 10 так, чтобы эта область начинала сходить на нет на краю второй прокладки 20.

Примесная область 30 образована посредством ионного внедрения, предназначена для предотвращения пробоя и контроля порогового напряжения в области канала. В одном из вариантов осуществления диэлектрический слой 16 электрода затвора 14 имеет толщину от 3 до 8 нм, первая прокладка 18 имеет ширину от 10 до 30 нм, а вторая прокладка 20 имеет ширину от 20 до 50 нм. Область ЛДС 22 может быть сформирована путем ионного внедрения, заданного в пределах от 1•10¹³ до 1•10¹⁴ см^-2 для концентрации, от 15 до 30 кэВ для энергии и при угле наклона от 7 до 45 градусов. Область СДС 24 может быть сформирована путем ионного внедрения, заданного в пределах от 1•10¹⁴ до 1•10¹⁵ см^-2 для концентрации, от 20 до 30 кэВ для энергии и при угле наклона от 7 до 45 градусов. Карман Р-типа 26 может быть сформирован путем ионного внедрения, заданного в пределах от 2•10¹² до 2•10¹³ см^-2 для концентрации, от 20 до 40 кэВ для энергии и при угле наклона от 7 до 45 градусов. Область истока/стока 28 может быть сформирована путем ионного внедрения, заданного в пределах от 1•10¹⁵ до 5•10¹⁵ см^-2 для концентрации и от 10 до 50 кэВ для энергии.

Способ изготовления, согласно настоящему изобретению, описан со ссылками на фиг.2-6.

Согласно фиг. 2, на подложке 10 из полупроводника Р-типа формируется буферной оксидный слой толщиной около 15 нм. Затем осуществляются ионное внедрение для управления пороговым напряжением и ионное внедрение для предотвращения пробоя, чтобы сформировать примесный слой 30.

Впоследствии буферный оксидный слой удаляется, и на поверхности подложки 10 формируется изолирующий слой 12 затвора. На изолирующий слой 12 затвора осаждается поликристаллический кремний, который обрабатывается посредством фотолитографического процесса для формирования электрода затвора 14.

Согласно фиг. 3, поверхность электрода затвора 14, сформированного из поликристаллического кремния, подвергается окислению, и образуется слой диэлектрика 16 толщиной от 3 до 8 нм.

Как показано на фиг.4, первый примесный слой низкой концентрации, т.е. область ЛДС 22, формируется вблизи поверхности полупроводниковой подложки 10 путем осуществления ионного внедрения примеси второго типа проводимости, например мышьяка, при концентрации в пределах от 1•10¹⁵ до 1•10¹⁴ см^-2, при энергии от 15 до 30 кэВ и угле наклона от 7 до 45 градусов так, чтобы этот слой начинал сходить на нет на краю поверхностно-окисленного электрода затвора 14.

Как показано на фиг.4, допускается взаимное перекрытие области ЛДС 22 и поликристаллического кремния затвора 14. При таком расположении, если вертикальный переход области ЛДС заходит за край поликристаллического кремния затвора 14 на глубину, большую 60 нм, возможно возникновение поверхностного пробоя. Соответственно, желательно формировать вертикальный переход области ЛДС 22 на глубине в пределах около 60 нм.

Согласно фиг.5, сначала на всю поверхность конечного продукта наносится изолирующий слой толщиной в пределах от 10 до 30 нм, а затем на боковой стенке электрода затвора 14 формируется первая прокладка 18 посредством процесса обратного травления.

Затем формируется слой примеси второго типа проводимости со средней концентрацией, имеющий вторую глубину, большую, чем первая глубина, т.е. область СДС 24, путем осуществления ионного внедрения примеси второго типа проводимости, например мышьяка или сурьмы, при концентрации в пределах от 1•10¹⁴ до 1•10¹⁴ см^-2 энергии от 20 до 30 кэВ и угле наклона от 7 до 45 градусов так, чтобы этот слой начинал сходить на нет на краю первой прокладки 18.

Когда область СДС 24 и поликристаллический кремний затвора перекрывают друг друга, в полупроводниковой подложке 10 под краем поликристаллического кремния затвора возникает мощное электрическое поле. Это мощное электрическое поле вызывает эффект горячего носителя, тем самым приводя к ухудшению свойств устройства. Соответственно, область СДС 24 и поликристаллический кремний затвора формируются без перекрытия между ними в расширенной боковой области, и допускается такое увеличение глубины вертикального перехода области СДС 24, чтобы она стала толще области ЛДС 22. В этом случае паразитное сопротивление можно уменьшить в значительно большей степени, чем в том случае, когда глубина вертикального перехода области СДС 24 формируется при той же толщине, что и область ЛДС 22. Электрический ток возрастает так, что возрастает и стоковый ток насыщения.

После этого вблизи поверхности полупроводниковой подложки 10 формируется третий примесный слой, т.е. карман Р-типа 26. Карман Р-типа 26 имеет более высокую концентрацию примеси, чем концентрация примеси полупроводниковой подложки 10, и имеет третью глубину, охватывающую область СДС 24. Карман может быть сформирован путем ионного внедрения примеси первого типа проводимости, иными словами, примеси Р-типа при концентрации в пределах от 2•10¹² до 2•10¹³ см^-2, энергии от 20 до 40 кэВ и угле наклона от 7 до 45 градусов, причем он должен начинать сходить на нет на краю первой прокладки 18.

В случае, если бы область ЛДС 22 охватывалась боковой областью кармана Р-типа 26, концентрация примеси в области канала могла бы локально изменяться, приводя, тем самым, к изменению свойства порогового напряжения. Поэтому, согласно одного из вариантов осуществления, недопустимо, чтобы боковая область кармана Р-типа проникала внутрь, за пределы области ЛДС 22.

Кроме того, в случае, когда глубина вертикального перехода кармана Р-типа 26 сформирована большей, чем у области СДС 24, и, таким образом, область N+ охватывается им, нужно препятствовать расширению обедненной области, тем самым вызывая возрастание емкости перехода в области N+. Таким образом, согласно одному из вариантов осуществления, недопустимо, чтобы глубина вертикального перехода превышала глубину области СДС 24 и, соответственно, охватывала область N+.

Согласно фиг.6, сначала на всю поверхность конечного продукта наносится изолирующий слой толщиной в пределах от 50 до 100 нм, а затем на первой боковой стенке первой прокладки 18 формируется вторая прокладка 20 посредством процесса обратного травления. Затем, вблизи поверхности полупроводниковой подложки 10 формируется четвертый примесный слой, иными словами, область истока/стока 28, имеющая четвертую глубину, большую, чем третья глубина, путем ионного внедрения примеси второго типа проводимости, т.е. примеси N-типа, при концентрации в пределах от 2•l0¹⁵ до 5•10¹⁵ см^-2, энергии от 10 до 50 кэВ, так, чтобы он начинал сходить на нет на краю второй прокладки 20. Затем внедренную примесь можно активировать тепловой обработкой в течение 30 мин при температуре 1000^oС с использованием методики ОБН.

Как описано выше, согласно настоящему изобретению, область СДС со средней концентрацией формируется между областью ЛДС с низкой концентрацией и областями истока и стока с высокой концентрацией. Горизонтальное сопротивление ЛДС можно уменьшить за счет области ЛДС, тем самым вызывая увеличение стокового тока насыщения и получая МОП-транзистор с высоким быстродействием и высокой производительностью. Кроме того, максимальное значение электрического поля в МОП-транзисторе размеров порядка четверти микрона можно уменьшить вокруг стоковой области края затвора с помощью области ЛДС. Дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит также в том, что неглубокие переходы области ЛДС и области СДС формируются в вертикальном направлении, поскольку область СДС охватывается областью кармана Р-типа, и явление пробоя можно подавить с помощью области СДС и области исток/сток, тем самым, уменьшая эффект короткого канала.

Настоящее изобретение одинаково применимо к МОП-транзисторам с Р-каналом и к МОП-транзисторам с N-каналом. В случае МОП-транзистора с Р-каналом в качестве примеси для первого примесного слоя 22 может служить, например, бор или BF₂, а в качестве примеси для второго примесного слоя 24 может соужить ВF₂ или In.

Использование в области производства полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: МОП-транзистор содержит полупроводниковую подложку, допированную примесью первого типа проводимости, изолирующий слой затвора, сформированный на полупроводниковой подложке, электроды затвора, сформированные на изолирующем слое затвора, и слой диэлектрика, сформированный путем поверхностного окисления электродов затвора. На боковой стенке электродов затвора формируется первая прокладка, а вторая прокладка формируется на наклонной боковой стенке. Первый слой примеси с низкой концентрацией формируется на первой глубине посредством примеси второго типа проводимости, внедренной в полупроводниковую подложку вблизи ее поверхности так, чтобы он начинал сходить на нет на краю электрода затвора. Второй слой примеси со средней концентрацией формируется на второй глубине, большей по сравнению с первой, посредством примеси второго типа проводимости, внедренной в полупроводниковую подложку вблизи ее поверхности. Третий слой примеси, имеющий более высокую концентрацию примеси, чем полупроводник, формируется на третьей глубине для окружения второго слоя примеси со средней концентрацией посредством примеси первого типа проводимости, внедренной в полупроводниковую подложку вблизи ее поверхности так, чтобы он начал сходить на нет на краю первой прокладки. Четвертый слой примеси с высокой концентрацией формируется на четвертой глубине, большей, чем третья глубина, посредством примеси второго типа проводимости, внедренной в полупроводниковую подложку вблизи ее поверхности так, чтобы он начал сходить на нет на краю второй прокладки. Техническим результатом изобретения является создание МОП-транзистора, обладающего высоким быстродействием и высокой производительностью, в котором предотвращен эффект короткого канала, обусловленный миниатюризацией. 2 с. и 23 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. МОП-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку, допированную примесью первого типа проводимости, изолирующий слой затвора, сформированный на полупроводниковой подложке, электрод затвора, сформированный на изолирующем слое затвора, слой диэлектрика, сформированный на электроде затвора, первую прокладку, сформированную на электроде затвора, вторую прокладку, сформированную на первой боковой стенке первой прокладки, первый примесный слой с низкой концентрацией, сформированный на первой глубине путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю электрода затвора, второй примесный слой со средней концентрацией, сформированный на второй глубине, большей по сравнению с первой, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки, третий примесный слой, имеющий более высокую концентрацию примеси, чем полупроводник, сформированный на третьей глубине для окружения второго слоя примеси со средней концентрацией, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси первого типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки, и четвертый примесный слой с высокой концентрацией, сформированный на четвертой глубине, большей, чем третья глубина, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю второй прокладки. 2. Транзистор по п. 1, в котором слой диэлектрика на электроде затвора имеет толщину от 3 до 8 нм. 3. Транзистор по п. 1, в котором первая прокладка имеет длину от 10 до 30 нм. 4. Транзистор по п. 1, в котором вторая прокладка имеет длину от 50 до 100 нм. 5. Транзистор по п. 1, в котором первым типом проводимости является Р-тип, а вторым типом проводимости является N-тип. 6. Транзистор по п. 1, в котором примесь первого примесного слоя содержит мышьяк. 7. Транзистор по п. 1, в котором примесь второго примесного слоя содержит мышьяк. 8. Транзистор по п. 1, в котором примесь второго примесного слоя содержит фосфор. 9. Транзистор по п. 1, в котором примесь третьего примесного слоя содержит бор. 10. Транзистор по п. 1, в котором примесь третьего примесного слоя содержит BF₂. 11. Транзистор по п. 1, в котором примесь четвертого примесного слоя содержит мышьяк. 12. Транзистор по п. 1, в котором первым типом проводимости является N-тип, а вторым типом проводимости является Р-тип. 13. Транзистор по п. 12, в котором примесь первого примесного слоя содержит BF₂. 14. Транзистор по п. 12, в котором примесь второго примесного слоя содержит BF₂. 15. Транзистор по п. 12, в котором примесь третьего примесного слоя содержит фосфор. 16. Транзистор по п. 12, в котором примесь третьего примесного слоя содержит мышьяк. 17. Транзистор по п. 12, в котором примесь четвертого примесного слоя содержит BF₂. 18. Транзистор по п. 1, в котором первый примесный слой перекрывает поликристаллический кремний затвора, заходя за край поликристаллического кремния затвора на глубину, меньшую 70 нм. 19. Транзистор по п. 1, в котором второй примесный слой в боковом направлении не заходит за край поликристаллического кремния затвора. 20. Транзистор по п. 1, в котором третий примесный слой служит для окружения второго примесного слоя, причем глубина его бокового распространения ограничена первым примесным слоем, глубина вертикального распространения третьей примеси ограничена глубиной четвертого примесного слоя, глубина бокового распространения четвертого примесного слоя ограничена толщиной прокладки. 21. Способ изготовления МОП-транзистора, заключающийся в том, что формируют изолирующий слой затвора на поверхности полупроводниковой подложки, допированной примесью первого типа проводимости, формируют электрод затвора на изолирующем слое затвора, формируют слой диэлектрика на электроде затвора, внедряют примесь второго типа проводимости в полупроводниковую подложку, чтобы она начинала сходить на нет на краю электродов затвора, тем, самым, формируют первый примесный слой с низкой концентрацией, имеющий первую глубину, формируют первую прокладку на боковой стенке электрода затвора, формируют второй примесный слой со средней концентрацией, имеющий вторую глубину, большую по сравнению с первой, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости, формируют третий примесный слой, имеющий более высокую концентрацию примеси, чем полупроводник, и имеющий третью глубину, для окружения второго слоя примеси со средней концентрацией, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси первого типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю первой прокладки, формируют вторую прокладку на боковой стенке первой прокладки и формируют четвертый примесный слой с высокой концентрацией, имеющий четвертую глубину, большую, чем третья глубина, путем внедрения в полупроводниковую подложку примеси второго типа проводимости так, чтобы он начинал сходить на нет на краю второй прокладки. 22. Способ по п. 21, в котором первый примесный слой формируют путем ионного внедрения при концентрации от 1•10¹³ до 1•10¹⁴ см^-2, энергии от 15 до 30 кэВ и угле наклона от 7 до 45^o. 23. Способ по п. 21, в котором второй примесный слой формируют путем ионного внедрения при концентрации от 1•10¹⁴ до 1•10¹⁵ см^-2, энергии от 20 до 30 кэВ и угле наклона от 7 до 45^o. 24. Способ по п. 21, в котором третий примесный слой формируют путем ионного внедрения при концентрации от 2•10¹² до 2•10¹³ см^-2, энергии от 20 до 40 кэВ и угле наклона от 7 до 45^o. 25. Способ по п. 21, в котором третий примесный слой формируют путем ионного внедрения при концентрации от 1•10¹⁵ до 5•10¹⁵ см^-2, энергии от 10 до 50 кэВ и угле наклона от 7 до 45^o.