СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ ЭЛЕКТРОДОМ НАНОМЕТРОВОЙ ДЛИНЫ Российский патент 2004 года по МПК H01L21/336 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано при производстве как полупроводниковых приборов и интегральных схем, так и приборов функциональной микроэлектроники.

Простое масштабирование современной конструкции полупроводниковых интегральных схем в сторону меньших размеров для достижения высокой степени интеграции, увеличения быстродействия, снижения энергозатрат сталкивается с принципиальными ограничениями, вызванными так называемыми короткоканальными эффектами.

Основная проблема, связанная с уменьшением размеров транзистора, упирается в то, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы, из-за возникающих токов утечки. Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, а также между стоком и истоком при "выключенном" состоянии транзистора. Т.к. уменьшение размеров транзистора влечет за собой уменьшение толщины подзатворного диэлектрика, как следствие, начинают сказываться эффекты туннелирования зарядов через слои диэлектрика, что и приводит к возникновению токов утечки.

Используя материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (к≈30), можно делать толщину подзатворного диэлектрика гораздо больше и тем самым решить проблему возникновения токов утечки через затвор транзистора.

Вторая проблема - возникновение токов утечки между стоком и истоком, решается путем исключения паразитного заряда в областях стока и истока. Это достигается использованием структур кремний на изоляторе (КНИ), где легированные области стока и истока, как и затвора, размещены непосредственно на диэлектрике, и не возникает областей накопления паразитного заряда, следовательно, отсутствует ток утечки.

Таким образом, уменьшая глубину переходов и толщину подзатворного диэлектрика, используя подложки "кремний на изоляторе", добиваются возможности избавиться от "короткоканальных" эффектов, тем самым уменьшать размеры транзисторов и, главное, длину (канала) затворов нанотранзисторов, следовательно, повышать быстродействие интегральных схем.

В работах [1-3] авторы предлагают изготовление полупроводниковых приборов с учетом решения вышеперечисленных проблем как на подложках Si, так и на КНИ. К сожалению, авторы не указывают минимальную длину управляющего электрода и литографического способа их формирования. Можно только предположить, что длина затвора >0,1 мкм, т. к. даже использование 0,13 мкм технологии позволяет изготовление прибора с управляющим электродом ≥ 0,1 мкм, и, следовательно, предлагаемые работы не в полной мере исключают ограничения, вызванные короткоканальными эффектами, и не решают проблему уменьшения длины управляющего электрода (менее 100 нм).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления полупроводникового прибора с управляющим электродом субмикронной длины и подзатворным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью k>7 (Аl₂О₃, TiO₂, ZrO₂ и др.) [3], где авторы предлагают способ формирования управляющего электрода (0,1 мкм и менее) короче, чем длина, определяемая литографией.

Основные недостатки этого способа заключаются в сложности и неустойчивости (неконтролируемости) формирования затвора внутри щели маски размером ≤0,1 мкм, т. к. глубина щели больше ширины щели (больше соотношения 2:1). Кроме этого, при размерах щели ≈0,1 мкм дальнейшее сужение щели в основании маски, за счет стравливания слоя SiO₂ под углом ≈45°, проблематично, неконтролируемо и приводит к неодинаковой воспроизводимости изготовления полупроводниковых приборов.

Технический результат настоящего изобретения заключается в уменьшении длины управляющего электрода до нескольких десятков нанометров, изготовление элементов нанотранзистора (стока, затвора, истока) по самосовмещенной технологии, использование любой литографии в изготовлении полупроводниковых приборов, которое приводит не только к максимальной граничной частоте и минимальному коэффициенту шума, но и значительно повышает воспроизводимость параметров, упрощает и удешевляет изготовление полупроводниковых приборов.

Это достигается тем, что по способу изготовления полупроводникового прибора с управляющим электродом нанометровой длины, включающему выделение на полупроводниковой подложке активной области прибора, формирование подзатворного диэлектрика, нанесение вспомогательного слоя диэлектрик-металл, формирование временных прямоугольных элементов в металле этого слоя с последующим плазмохимическим травлением незащищенного этой металлической маской слоя диэлектрика, формирование управляющего электрода, формирование областей стока/истока и проводящего контактного слоя к истоку-затвору-стоку, затвор формируется на вертикальной боковой стенке прямоугольного элемента вспомогательного слоя, расположенного в центре активной области прибора последовательным осаждением и плазмохимическим травлением слоев диэлектрика, проводящего слоя и диэлектрика, благодаря тому, что металл и верхний слой подзатворного диэлектрика устойчивы к анизотропному плазмохимическому травлению (ПХТ) этих слоев и служат границей травления, в результате происходит полное удаление слоев на металле вспомогательного слоя и открытой части подзатворного диэлектрика, а на боковых стенках элементов вспомогательного слоя образуются вертикальные слои "спейсер"-затвор-"спейсер" управляющего электрода нанометровой длины, которые одновременно являются маской для последующего легирования контактных областей стока/истока, обеспечивающей смещение области имплантации от канала затвора, а второй сформированный "спейсер"-маска позволяет проводить более глубокое легирование, уменьшая емкости между затвором и истоком/стоком. Осажденный второй металл на поверхность кремния, после удаления подзатворного диэлектрика с полупроводниковой подложки, преобразовывается в процессе низкотемпературного отжига в местах контакта с кремнием в силицид металла, а лежащий на "спейсерах" металлический слой стравливается, образуя тем самым самосовмещенные проводящие контактные области истока-затвора-стока.

Существует вариант, в котором второй диэлектрик используют как маску от разрушающего воздействия ионов при легировании поверхности полупроводниковой подложки.

Существует также вариант, где подзатворный диэлектрик с открытых участков полупроводниковой подложки удаляется после проведения глубокого легирования.

Возможны варианты, в которых в качестве проводящего слоя управляющего электрода используются поликремний, CoSi₂, TiSi₂, NiSi, а в качестве второго металла - Со, Ti, Ni.

Целесообразно в качестве вспомогательного слоя третий диэлектрик-первый металл использовать слои полиимида, SiO₃, Si₃N₄, Аl₂О₃ - Cr, Ni, FeNi, V, Аl, Ti.

В качестве материалов для формирования "спейсеров" возможно использование слоев SiO₂, Si₃N₄.

В качестве полупроводниковой подложки может использоваться подложка КНИ или объемный кремний.

Существует также вариант, где в качестве подзатворного диэлектрика используются слои двуокиси кремния и диэлектрика с k>10 (SiO₂+ZnO₂, HfO₂, Та₂О₅, Аl₂О₃).

На фиг.1-11 представлена технологическая последовательность изготовления полупроводникового прибора с управляющим электродом нанометровой длины на КНИ-подложке.

На чертежах показаны: подложка КНИ 1, диэлектрический слой 2, состоящий из двуокиси кремния (первый диэлектрик), диэлектрический слой 3 с к>10 (второй диэлектрик), диэлектрический слой 4 (третий диэлектрик) вспомогательного слоя (ВС), металл 5 (первый металл) вспомогательного слоя, фоторезистивные элементы 6, первый диэлектрический слой первого "спейсера" 7 (четвертый диэлектрик), материал управляющего электрода 8 (затвор), второй диэлектрический слой первого "спейсера" 9 (пятый диэлектрик), диэлектрический слой второго "спейсера" 10 (шестой диэлектрик), второй металл 11, образующий проводящие контакты стока, истока 12, затвора 8. Следует также заметить, что исходная подложка КНИ 1 состоит из кремния 13 и слоя SiO₂ 14.

В качестве исходного материала взята подложка КНИ 1 (фиг.1) со сформированными изолированными активными областями транзисторов (не показаны). На этой структуре формировались подзатворный диэлектрик, состоящий из первого диэлектрика 2 (SiO₂) и второго диэлектрика 3 (например, ZrO₂) и вспомогательный слой, состоящий из третьего диэлектрика 4 (например, SiO₂) и первого металла 5 (например, ванадия). Затем на вспомогательном слое фотолитографией формировались фоторезистивные элементы 6 (фиг.2) в виде прямоугольников, минимальные размеры которых определялись требуемой шириной затвора, расположенные таким образом, чтобы одна из сторон прямоугольника каждого фоторезистивного элемента размещалась на месте будущего затвора между стоком и истоком, определяя собой границу формирования затвора. После травления первого металла 5 (фиг.3) удалялись фоторезистивные элементы 6 и ПХТ стравливался третий диэлектрик 4, образуя при этом временные прямоугольные элементы вспомогательного слоя, содержащих первый металл 5 на третьем диэлектрике 4. Далее осаждался четвертый диэлектрик 7 первого "спейсера" (например, Si₃N₄) (фиг.4) так, чтобы были закрыты вертикальные боковые стенки временных прямоугольных элементов вспомогательного слоя, и проводилось плазмохимическое травление четвертого диэлектрика 7 до полного его удаления на первом металле 5 и втором диэлектрике 3 с образованием из четвертого диэлектрического слоя первой половины 7 первого "спенсера". После этого производилось осаждение материала управляющего электрода 8 (например, поликристаллического кремния (поликремния) с его последующим плазмохимическим травлением до образования рядом с первым диэлектрическим слоем первого "спенсера" затвора 8 из поликремния. Последующим повторным осаждением пятого диэлектрика 9 (фиг.6), в качестве которого используют также Si₃N₄, и его плазмохимическим травлением до первого металла 5 вспомогательного слоя и второго диэлектрика 3 формировалась вторая половина первого "спейсера" 9 затвора 8.

Далее проводились удаление остатков первого металла 5 (фиг.7) и третьего диэлектрика 4 вспомогательного слоя, легирование кремния 13 через подзатворный диэлектрик на глубину, обеспечивающую совмещение у поверхности границ р-n переходов стока и истока с границами затвора 8 с образованием слоя 15. В дальнейшем на подложку наносился шестой диэлектрик 10 (фиг.8), и проводилось его плазмохимическое травление с образованием на вертикальных стенках второго двухстороннего "спейсера". После этого проводились глубокое легирование кремния 13 с образованием слоя 16 (фиг.9), удаление подзатворного диэлектрика с открытой поверхности подложки КНИ (фиг.10), напыление второго металла 11, образование силицида 12 второго металла на поликремнии затвора 8 и кремниевых областях истока, стока полупроводниковой подложки и удаление второго металла 11 с боковых поверхностей второго двухстороннего "спейсера" (фиг.11).

Использование предлагаемого способа изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем с управляющим электродом нанометровой длины обеспечивает следующие преимущества:

- появляется возможность формирования нанометрового управляющего электрода с помощью обычной фотолитографии и существующего технологического оборудования;

- появляется возможность устойчивого формирования по самосовмещенной технологии областей стока-затвора-истока;

- становится возможным одновременно использовать металл вспомогательного слоя и верхний слой подзатворного диэлектрика для защиты поверхности полупроводниковой подложки от воздействия радикалов, таких как СF₃, СНF₃, O₂ и других газов, применяемых при ПХТ;

- верхний слой подзатворного диэлектрика используется как маска от разрушающего воздействия ионов при легировании поверхности полупроводниковой подложки;

- формирование проводящих контактов истока, затвора, стока производится по самосовмещенной технологии без применения литографии.

Эти преимущества обеспечивают не только нанометровую длину канала транзистора, уменьшая коэффициент шума и, увеличивая максимально граничную частоту, но и повышает воспроизводимость параметров приборов, одновременно упрощая и удешевляя их изготовление.

Источники информации

[1] Патент США US 6238960 В 1, 2001 (Fast MOSFET with low-doped source/drain. Maszara et al.).

[2] Патент США US 6465313 Bl, 2002 (SOI MOSFET with graded source/drain silicide. Yu et al.).

[3] Патент США US 6271094 Bl, 2001 (Method of making MOSFET with high dielectric constant gate insulator and minimum overlap capacitance. D.C.Boyd et al.).

Использование: в области микро- и наноэлектроники при производстве как полупроводниковых приборов и интегральных схем, так и приборов функциональной микроэлектроники. Сущность изобретения: способ изготовления полупроводникового прибора с управляющим электродом (затвором) нанометровой длины включает выделение на полупроводниковой подложке активной области прибора, формирование подзатворного диэлектрика, состоящего из первого и второго диэлектриков, нанесение вспомогательного слоя, содержащего третий диэлектрик и первый металл, формирование временных прямоугольных элементов с вертикальными боковыми стенками во вспомогательном слое, а также формирование управляющего электрода (затвора), областей стока/истока и проводящего контактного слоя к истоку-затвору-стоку. Управляющий электрод формируют путем последовательного осаждения на прямоугольные элементы с вертикальными стенками вспомогательного слоя и второй диэлектрик подложки четвертого диэлектрика, плазмохимического травления четвертого диэлектрика с образованием первой половины первого "спейсера" на вертикальной стенке прямоугольного элемента, осаждением и плазмохимическим травлением материала управляющего электрода, с образованием на первой половине первого "спейсера" затвора, осаждением и плазмохимическим травлением пятого диэлектрика с образованием на затворе второй половины первого "спейсера", при этом первый металл вспомогательного слоя и второй диэлектрик подзатворного диэлектрика используют в качестве защитной маски нижележащих слоев при плазмохимическом травлении, после этого сформированные слои "спейсер" - затвор -"спейсер" используют и в качестве маски для последующего легирования контактных областей стока/истока, обеспечивая при этом смещение области легирования от канала затвора. Далее формируют второй двухсторонний "спейсер" на боковых стенках затвора и используют его для проведения глубокого легирования, а также для формирования в местах контакта с кремнием проводящих областей силицида металла из осажденного слоя второго металла, после этого проводят удаление второго металла, оставшегося на двух "спейсерах" после силидизации, образуя тем самым самосовмещенные проводящие контактные области истока-затвора-стока. Техническим результатом изобретения является уменьшение длины управляющего электрода до нескольких десятков нанометров, а также обеспечение возможности изготовления элементов нанотранзистора-стока, затвора, истока, по самосовмещенной технологии с использованием любой литографии в изготовлении полупроводниковых приборов. 1 с. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ изготовления полупроводникового прибора с управляющим электродом (затвором) нанометровой длины, включающий выделение на полупроводниковой подложке активной области прибора, формирование подзатворного диэлектрика, состоящего из первого и второго диэлектриков, нанесение вспомогательного слоя, содержащего третий диэлектрик и первый металл, формирование временных прямоугольных элементов с вертикальными боковыми стенками во вспомогательном слое, а также формирование управляющего электрода (затвора), областей стока/истока и проводящего контактного слоя к истоку-затвору-стоку, отличающийся тем, что управляющий электрод формируют путем последовательного осаждения на прямоугольные элементы с вертикальными стенками вспомогательного слоя и второй диэлектрик подложки четвертого диэлектрика, плазмохимического травления четвертого диэлектрика с образованием первой половины первого "спейсера" на вертикальной стенке прямоугольного элемента, осаждением и плазмохимическим травлением материала управляющего электрода, с образованием на первой половине первого "спейсера" затвора, осаждением и плазмохимическим травлением пятого диэлектрика с образованием на затворе второй половины первого "спейсера", при этом первый металл вспомогательного слоя и второй диэлектрик подзатворного диэлектрика используют в качестве защитной маски нижележащих слоев при плазмохимическом травлении, после этого сформированные слои "спейсер - затвор - спейсер" используют и в качестве маски для последующего легирования контактных областей стока/истока, обеспечивая при этом смещение области легирования от канала затвора; далее путем последовательного осаждения и плазмохимического травления шестого диэлектрика формируют второй двухсторонний "спейсер" на боковых стенках затвора и используют его для проведения глубокого легирования, а также для формирования в местах контакта с кремнием (области истока - затвора - стока) проводящих областей силицида металла из осажденного слоя второго металла, после этого проводят удаление второго металла, оставшегося на двух "спейсерах" после силидизации, образуя тем самым самосовмещенные проводящие контактные области истока - затвора - стока.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй диэлектрик используют как маску от разрушающего воздействия ионов при легировании поверхности полупроводниковой подложки.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подзатворный диэлектрик с открытых участков полупроводниковой подложки удаляется после проведения глубокого легирования.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве проводящего слоя управляющего электрода используется поликремний, СоSi₂, TiSi₂, NiSi.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго металла используются Со, Ti, Ni.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного слоя третий диэлектрик-первый металл используются слои полиимида, SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ - Cr, Ni, FeNi, V, Al, Ti.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов для формирования "спейсеров" используются слои SiO₂, Si₃N₄.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой подложки может использоваться подложка КНИ, объемный кремний.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подзатворного диэлектрика используются слои двуокиси кремния и диэлектрика с k>10 (SiO₂+ZnO₂, HfO₂, Ta₂O₅, Al₂O₃).