СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОМАСШТАБИРУЕМОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА СО СТРУКТУРОЙ СУПЕРСАМОСОВМЕЩЕННОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2004 года по МПК H01L21/335 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления наиболее массовых полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП транзисторов).

Технология изготовления полевого транзистора непрерывно усовершенствуется, в первую очередь, за счет успехов современной литографии, обеспечивающей возможность последовательного уменьшения величины минимального размера важнейшего элемента транзистора - длины затвора (в серийных изделиях до 0,25 мкм и ниже).

Все чаще в технологии изготовления полевого транзистора используются методы самосовмещения элементов транзистора, например, традиционно поликристаллического кремниевого затвора с изолирующим диэлектриком, самосовмещенных металлических контактов к областям стоков и истоков транзистора [1], поликристаллических кремниевых электродов со стоковой и истоковой областями полевого транзистора [2, 3].

Однако в известных способах отсутствуют методы полного (или как принят альтернативный термин в технической литературе для биполярной технологии - “суперсамосовмещения”) одновременно всех основных элементов полевого транзистора - “окна под транзистор в диэлектрике”. “поликристаллических кремниевых электродов к областям стока и истока”, “бокового диэлектрика у затвора - спейсера”, “металлических покрытий на поликристаллических кремниевых электродах и затворе”, позволяющих получить максимальный выигрыш по снижению площади транзистора, минимизировать отдельные элементы структуры полевого транзистора, а значит повысить качество и процент выхода годных транзисторов и в целом микросхем на полевых транзисторах.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления суперсамосовмещенного биполярного транзистора [4], включающий формирование на поверхности кремниевой пластины первого слоя диэлектрика, вытравливание в нем окон с вертикальными стенками под базу транзистора, осаждение первого слоя поликристаллического кремния и легирования его примесью требуемого типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста эмиттерного окна таким образом, что границы эмиттерного окна в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окон в первом слое диэлектрика, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков второго диэлектрика, травление горизонтальных участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния, легирование кремния для создания активной области базы, формирование в окнах пристеночного диэлектрика (спейсера), осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирования его примесями эмиттера, формирование отжигом базовых и эмиттерных областей диффузией примеси из поликристаллического кремния, создание контактов к ним и металлизации.

На фиг.1.1-1.4 представлены основные этапы изготовления суперсамосовмещенного биполярного транзистора в соответствии с прототипом [4].

На фиг.1.1 приведен разрез структуры после формирования на поверхности пластины (1) первого слоя диэлектрика (2), вытравливания в нем окон под базу (3), осаждения первого слоя поликристаллического кремния (4). легирования его примесью, осаждения второго слоя диэлектрика (5) с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирования маски фоторезиста (6) таким образом, что границы эмиттерных окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика.

На фиг.1.2 показаны операции: вертикального плазмохимического травления горизонтальных участках второго диэлектрика (7) до первого слоя поликристаллического кремния, травления первого слоя поликристаллического кремния до кремния (8), легирования кремния (9).

На фиг.1.3 показаны операции: формирования пристеночного диэлектрика (спейсера) (11) плазмохимическим травлением горизонтальных участков (10) осажденного диэлектрика для формирования спейсера.

На фиг.1.4. показаны операции: осаждения и легирования второго слоя поликристаллического кремния (12), формирование отжигом эмиттерных (14) и базовых (15, 16) областей диффузией примесей из поликристаллического кремния, создание контактов к ним и металлизации (13).

Как следует из рассмотрения технического решения прототипа - в способе изготовления биполярного транзистора применен метод суперсовмещения всех основных элементов биполярного транзистора между собой, начиная с “окна под базу в диэлектрике”, формирования “базовых поликристаллических кремниевых электродов”, масштабированного “окна под эмиттер”, формирования “пристеночного диэлектрика - спейсера”, формирования “поликристаллического кремниевого электрода эмиттера”, формирования “диффузионных областей базы и эмиттера”.

При этом важнейшим преимуществом технического решения способа, указанного в прототипе, является масштабирование (уменьшение) размера эмиттера до значений меньших величины минимального размера на литографии, что создает возможность существенного улучшения качества и снижения размера транзистора и в целом повышения интеграции и процента выхода годных микросхем, использующих данный тип транзистора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в использовании методов полного самосовмещения (суперсамосовмещения) основных элементов полевого транзистора и самомасштабирования затвора в процессе изготовления полевого транзистора до значений, меньших величины минимального размера на литографии.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления транзистора, включающем формирование на поверхности кремниевой пластины первого слоя диэлектрика, вытравливание в нем окон с вертикальными стенками под области транзистора, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью требуемого типа проводимости с необходимой концентрацией, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста таким образом, что границы окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окон в первом слое диэлектрика, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков второго диэлектрика, травление горизонтальных участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния, формирование на боковых стенках первого слоя поликристаллического кремния пристеночного диэлектрика, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью требуемого типа проводимости с необходимой концентрацией, термический отжиг для формирования областей транзистора диффузией из поликристаллического кремния, формирование контактов к электродам из поликристаллического кремния и металлизации, первый слой диэлектрика создают методом локального окисления кремния через маску нитрида кремния вокруг области полевого транзистора, производят вытравливание окон в первом диэлектрике вертикальным травлением раздельно для области стока и области истока с перекрытием окнами “клюва” первого диэлектрика в сторону диэлектрика, получаемого локальным окислением, и глубиной травления окон в диэлектрике, обеспечивающей планарность диэлектрика в окнах с поверхностью кремния, и расстоянием между окнами для области стока и области истока, превышающим ширину затвора полевого транзистора, производят травление горизонтальных и наклонных, над областями “клюва”, участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, а после вытравливания первого слоя поликристаллического кремния производят осаждение второю слоя поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концом грацией, необходимыми для создания слабо легированных областей стока и истока полевого транзистора, травят горизонтальные и наклонные, над областями “клюва”, участки второго слоя поликристаллического кремния до кремния и первого диэлектрика, формируют на поверхности кремния и боковых стенках второго поликристаллического кремния слой диэлектрика не менее толщины требуемого подзатворного диэлектрика, осаждают третий слой поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концентрацией, необходимыми для формирования затвора из поликристаллического кремния данного типа полевого транзистора, термическим отжигом формируют сильно легированные области стока и истока диффузией из первого поликристаллического кремния и слабо легированные области стока и истока диффузией из второго поликристаллического кремния.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что первый слой диэлектрика создают методом локального окисления кремния через маску нитрида кремния вокруг области полевого транзистора, производят вытравливание окон в первом диэлектрике вертикальным травлением раздельно для области стока и области истока с перекрытием окнами “клюва” первого диэлектрика в сторону диэлектрика, получаемого локальным окислением, и глубиной травления окон в диэлектрике, обеспечивающей планарность диэлектрика в окнах с поверхностью кремния, и расстоянием между окнами для области стока и области истока, превышающим ширину затвора полевого транзистора, производят травление горизонтальных и наклонных, над областями “клюва”, участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, а после вытравливания первого слоя поликристаллического кремния производят осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концентрацией, необходимыми для создания слабо легированных областей стока и истока полевого транзистора, травят горизонтальные и наклонные, над областями “клюва”, участки второго слоя поликристаллического кремния до кремния и первого диэлектрика, формируют на поверхности кремния и боковых стенках второго поликристаллического кремния слой диэлектрика не менее толщины требуемого подзатворного диэлектрика, осаждают третий слой поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концентрацией, необходимыми для формирования затвора из поликристаллического кремния данного типа полевого транзистора, термическим отжигом формируют сильно легированные области стока и истока диффузией из первого поликристаллического кремния и слабо легированные области стока и истока диффузией из второго поликристаллического кремния.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу - полного самосовмещения (или суперсамосовмещения) одновременно всех основных элементов полевого транзистора друг относительно друга. При этом важнейшим преимуществом способа является возможность самомасштабирования длины затвора до значений, существенно меньших величины минимального размера на литографии.

На фиг.2.1-2.4 представлены основные этапы изготовления самомасштабируемого полевого транзистора.

На фиг.2.1 приведен разрез структуры транзистора после формирования на поверхности пластины (1) локальным окислением первого слоя диэлектрика (17), вытравливания в нем окон с вертикальными стенками (18) под области стока и истока полевого транзистора (пунктиром показаны участки стравливаемого диэлектрика в области клювов), осаждения первого слоя поликристаллического кремния (4), легирования его примесью, осаждения второго слоя диэлектрика (5) с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирования маски фоторезиста (6) таким образом, что границы окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика.

На фиг.2.2 показаны операции: травления горизонтальных (и наклонных - на чертеже не показаны) участков второго диэлектрика (7) до первого слоя поликристаллического кремния, травления первого слоя поликристаллического кремния до кремния (8) и до первого диэлектрика в области клюва (на рисунке не показано).

На фиг.2.3 показаны операции: осаждения второго слоя поликристаллического кремния на горизонтальных (19 - показаны на чертеже пунктиром) и вертикальных (20) поверхностях, легирования его типом примеси с концентрацией, необходимой для последующего формирования из него диффузией слаболегированных областей стока и истока, травления горизонтальных (и наклонных - на чертеже не показано) участков второго слоя поликристаллического кремния до кремния (21) и до первого диэлектрика в области клюва (на чертеже не показано), окисления поверхности кремния и второго поликристаллического кремния на толщину подзатворного диэлектрика (на рисунке показано жирной линией)

На фиг.2.4 показаны операции: осаждения третьего слоя поликристаллического кремния (22), легирования его типом примеси с концентрацией, необходимой для формирования затвора из поликристаллического кремния, термического отжига для формирования слабо и сильно легированных областей стоков и истоков (22 и 23) транзисторов, диффузией из первого и второго слоев поликристаллического кремния, контактов к электродам из поликристаллического кремния и металлизации (13).

Как следует из рассмотрения предлагаемого технического решения - в способе изготовления самомосштабируемого полевого транзистора применены методы полного самосовмещения (или суперсамосовмещения) одновременно всех основных элементов полевого транзистора - “окна в диэлектрике под область полевого транзистора”, “поликристаллических кремниевых электродов к областям стока и истока”, “бокового диэлектрика (спейсера)” и “поликристаллического кремниевого затвора”, “металлических покрытий на поликристаллических кремниевых электродах и затворе” - друг с другом, позволяющих получить максимальный выигрыш по снижению площади транзистора, а значит и по его параметрам и проценту выхода годных транзисторов, а значит и микросхем на их основе.

При этом важнейшим преимуществом технического решения предлагаемого способа является масштабирование (уменьшение) длины затвора до значений, меньших величины минимального топологического размера (или минимального размера на литографии), что создает возможность создать способ самомастабируемого полевого транзистора с существенным улучшением главных параметров транзистора, определяемых длиной затвора, определяющих быстродействие транзистора и повышения степени интеграции при производстве микросхем на данном типе транзисторов.

В предлагаемом способе принципиально изменен порядок изготовления областей полевого транзистора.

Вместо традиционной последовательности в известных способах:

- формирование затвора транзистора с длиной, определяемой минимальным размером на литографии,

- создание бокового диэлектрика при затворе - спейсера,

- формирование областей стока и истока, электродов к ним и металлизации, когда самосовмещенными элементами транзистора были “затвор транзистора” и “спейсер при затворе”, а размеры областей стоков и истоков и контактов к ним определялись величиной погрешностей совмещения и минимальным размером на литографии - в предлагаемом способе следующая последовательность:

- формирование областей стока и исток и электродов к ним,

- формирование бокового диэлектрика (спейсера) при электродах к стоку и истоку,

- формирование окна под затвор с длиной, существенно меньшей величины минимального размера на литографии.

Способ принципиально позволяет опережать возможности литографии по получению минимальных размеров в области субмикрона.

Кроме того, для снижения емкости “затвор-исток” и “затвор-сток” полевого транзистора в предлагаемом способе предлагается увеличивать толщину диэлектрика между затвором (из третьего слоя поликристаллического кремния) и электродами к стоку и истоку (формируемыми из первого слоя поликристаллического кремния). С этой целью окисление кремния и второго слоя поликристаллического кремния проводится после формирования боковых участков второго слоя поликристаллического кремния и термического отжига, формирующего слаболегированные области стока и истока диффузией из торцев второго слоя поликристаллического кремния, лежащих на кремнии, а окисление проводится до полного прокисления боковых участков второго слоя поликристаллического кремния.

Затем вертикальным плазмохимическим травлением удаляют окисел только с кремния (при этом прокисленные боковые участки второго слоя поликристаллического кремния не травятся) и формируют на поверхности кремния необходимый по толщине и качеству подзатворный диэлектрик.

Возможным способом снижения сопротивления электродов к областям стока и истока и поликристаллического кремниевого затвора может являться способ нанесения на первый и третий слои поликристаллического кремния слоя полицида металла с последующей совместной обработкой слоев.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого способа.

Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Пример. На поверхности монокристаллической пластине КЭФ 4, 9 (100) формируют стандартную нитридную маску с подслоем двуокиси кремния для создания области полевого транзистора, формируют методом локального окисления первый диэлектрик толщиной 0,6 мкм, через маску фоторезиста формируют в первом диэлектрике окна под область стока и область истока, осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,25 мкм пиролизом моносилана при температуре 640°С, имплантируют в слой поликристаллического кремния бор с дозой 600 мккул/см² и энергией 30 КЭВ, осаждают слой второго диэлектрика пиролизом ТЭОСа при 715°С толщиной 0,4 мкм, через маску фоторезиста проводят травление второго слоя диэлектрика до поликристаллического кремния, травят первый слой поликристаллического кремния, осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0,15 мкм при температуре 640°C разложением моносилана, имплантируют его бором с дозой 5 мкмул/см², вертикальным плазмохимическим травлением травят горизонтальные и наклонные участки поликристаллического кремния, формируют окислением подзатворный диэлектрик на кремнии и боковой поверхности второго слоя поликристаллического кремния, осаждают третий слой поликристаллического кремния 0,2 мкм, имплантируют его мышьяком с дозой 1000 мккул/см², после чего отжигают структуру при температуре 850°С, плазмохимическим травлением через маску фоторезиста формируют затвор из поликристаллического кремния, с помощью маски фоторезиста вскрывают во втором диэлектрике контактные окна к поликристаллическим кремниевым электродам к стоку и истоку и формируют металлическую разводку из алюминия.

Пример, описанный выше, получения самомастабируемого “n” канального полевого транзистора с длиной затвора 0,35 мкм при минимальном размере на литографии 0,8 мкм является частным случаем, в котором используется предлагаемый способ. Предлагаемый способ может использоваться для создания также самомастабируемого “р” канального полевого транзистора, комплементарной пары полевых транзисторов (КМОП), полевых транзисторов с другими размерами затвора, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература

1. Технология СБИС. Под редакцией С. ЗИ. Книга 2. Стр. 222 (Рис.11. 19а).

2. Патент РФ N2106719 с приоритетом от 10.03.98 г.

3. Патент РФ N2141148 с приоритетом от 10.11.99 г.

4. Патент РФ N2110868 с приоритетом от 09.11.95 г.

Использование: микроэлектроника, технология изготовления полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник. Сущность изобретения: в способе изготовления транзистора создают первый диэлектрик, вытравливают окна в первом диэлектрике вертикальным травлением раздельно для области стока и области истока с перекрытием окнами “клюва” первого диэлектрика в сторону диэлектрика, получаемого локальным окислением, и глубиной травления, обеспечивающей планарность диэлектрика в окнах с поверхностью кремния, и расстоянием между окнами для области стока и области истока, превышающим ширину затвора полевого транзистора, производят травление горизонтальных и наклонных, над областями “клюва”, участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, а после вытравливания первого слоя поликристаллического кремния производят осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легируют его для создания слабо легированных областей стока и истока полевого транзистора, травят горизонтальные и наклонные, над областями “клюва”, участки второго слоя поликристаллического кремния до кремния и первого диэлектрика, окисляют поверхность кремния и второго поликристаллического кремния на толщину не менее толщины требуемого подзатворного диэлектрика, осаждают третий слой поликристаллического кремния, формируют затвор, формируют сильно легированные области стока и истока диффузией из первого поликристаллического кремния и слаболегированные области стока и истока диффузией из второго поликристаллического кремния. Техническим результатом изобретения является полное самосовмещение одновременно всех основных элементов полевого транзистора друг относительно друга с обеспечением возможности самомасштабирования длины затвора до значений, существенно меньших величины минимального размера на литографии. 1 с. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления самомасштабируемого полевого транзистора со структурой суперсамосовмещенного биполярного транзистора, включающий формирование на поверхности кремниевой пластины первого слоя диэлектрика, вытравливание в нем окон с вертикальными стенками под области транзистора, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью требуемого типа проводимости с необходимой концентрацией, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста таким образом, что границы окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окон в первом слое диэлектрика, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков второго диэлектрика, травление горизонтальных участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния, формирование на боковых стенках первого слоя поликристаллического кремния пристеночного диэлектрика, осаждения второго слоя поликристаллического кремния, легирования его примесью требуемого типа проводимости с необходимой концентрацией, термического отжига для формирования областей транзистора диффузией из поликристаллического кремния, формирования контактов к электродам из поликристаллического кремния и металлизации, отличающийся тем, что первый слой диэлектрика создают методом локального окисления кремния через маску нитрида кремния вокруг области полевого транзистора, производят вытравливание окон в первом диэлектрике вертикальным травлением раздельно для области стока и области истока с перекрытием окнами “клюва” первого диэлектрика в сторону диэлектрика, получаемого локальным окислением, и глубиной травления окон в диэлектрике, обеспечивающей планарность диэлектрика в окнах с поверхностью кремния, и расстоянием между окнами для области стока и области истока, превышающим ширину затвора полевого транзистора, производят травление горизонтальных и наклонных, над областями “клюва”, участков второго диэлектрика до первого слоя поликристаллического кремния, а после вытравливания первого слоя поликристаллического кремния производят осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концентрациями, необходимыми для создания слабо легированных областей стока и истока полевого транзистора, травят горизонтальные и наклонные над областями “клюва” участки второго слоя поликристаллического кремния до кремния и первого диэлектрика, формируют на поверхности кремния и боковых стенках второго поликристаллического кремния слой диэлектрика не менее толщины требуемого подзатворного диэлектрика, осаждают третий слой поликристаллического кремния, легируют его типом примеси с концентрациями, необходимыми для формирования затвора из поликристаллического кремния данного типа полевого транзистора, термическим отжигом формируют сильно легированные области стока и истока диффузией из первого поликристаллического кремния и слаболегированные области стока и истока диффузией из второго поликристаллического кремния.2. Способ по п.1, в котором окислению поверхности кремния и второго поликристаллического кремния предшествует термический отжиг для формирования слаболегированных областей стока и истока диффузией из второго поликристаллического кремния, а окисление поверхности кремния и второго поликристаллического кремния производится до полного окисления второго слоя поликристаллического кремния, после чего производят удаление окисла, выросшего на кремнии, с помощью вертикального плазмохимического травления, а затем формируют подзатворный диэлектрик.3. Способ по п.1, в котором непосредственно после легирования примесями первого и третьего слоев поликристаллического кремния на слои поликристаллического кремния наносятся и вместе с ними травятся слои полицидов металлов.