СПОСОБ САМОСОВМЕЩЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И ПОЛИКРЕМНИЕВЫХ КОНТАКТОВ К ПОДЛОЖКЕ И СКРЫТОМУ СЛОЮ Российский патент 2009 года по МПК H01L21/762 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, преимущественно - для технологии изготовления интегральных микросхем (ИМС).

В производстве ИМС широкое распространение получила щелевая изоляция ИМС. Щелевая изоляция, по сравнению с изопланарной, характеризуется рядом преимуществ:

меньшей емкостью на подложку;

большим напряжением пробоя изоляции коллектор - коллектор соседних транзисторов;

отсутствие ограничений на глубину щелей; формирование сплошного скрытого слоя;

унификация процесса изготовления пластин-заготовок, так как позволяет формировать скрытые слои без фотолитографии.

Известны способы выполнения щелевой изоляции ИМС, включающие травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке, формирование на вертикальных стенках щелей диэлектрических слоев, легирование дна щелей примесью одного типа проводимости с подложкой, заполнение щелей диэлектрическим или полупроводниковым материалом, осаждением последних при пониженном давлении (см. например, пат. США №4104090, МПК⁶ H01L 21/762, патентообладатель International Business Machines Corporation, опубл. 1978; a.c. СССР №1340500, МПК⁶ H01L 21/76, опубл. 20.04.996, авторы Даниелян B.C., Евдокимов В.Л., Зайдлин Г.М., Манжа Н.М., Фишель И.Ш.; а.с. СССР №1111634, МПК⁶ H01L 21/76 опубл. 10.04.1996, авторы Манжа Н.М., Ячменев В.В., Кокин В.Н., Сулимин А.Д., Шурчков И.О; а.с. СССР №1060066, МПК⁶ H01L 21/76, 27.03.1996, авторы Манжа Н.М., Патюков С.И., Шурчков И.О., Казуров Б.И., Попов А.А., Кокин В.Н.). Общими недостатком вышеуказанных щелевых способов формирования изоляции элементов ИМС является то, что:

а) для формирования контакта к подложке необходимо вводить в технологический маршрут фотолитографию скрытого слоя, так как вместе контакта к подложке необходимо делать разрыв в области скрытого слоя. При формировании контакта к подложке диффузией примеси через эпитаксиальный и скрытый слои резко увеличивается емкость перехода коллектор-подложка и уменьшается его пробивное напряжение;

б) вертикальная часть глубокого коллекторного контакта со стороны базовой области не изолирована диэлектриком, что не позволяет формировать пристеночную базовую и эмиттерную области, последнее увеличивает площадь, занимаемую транзисторной структурой.

Существуют способ формирования щелевой изоляции (см. пат. США №4160991, МПК H01L 21/762, патентообладатель International Business Machines Corporation, опубл. 10.07.1979), в котором травится мелкая щель на глубину эпитаксиального слоя, отделяющая контакт к скрытому слою от базовой области, а потом травится щель под изолирующие области на глубину эпитаксиального и скрытого слоев и частично в подложку, вытравленные щели заполняют, например, диэлектриком с последующей его планаризацией. Недостатком данного способа является то, что для формирования щелей используется две фотолитографии, требующие допусков на совмещение.

В пат. США №4139442, МПК⁶ H01L 21/762, патентообладатель International Business Machines Corporation, опубл. 13.02.1979 травление мелких и глубоких щелей осуществляется в едином процессе. В диэлектрике, сформированном на эпитаксиальном слое, вскрываются окна под мелкие и глубокие щели, в окнах мелких щелей с помощью фотолитографии формируется экранирующий слой в виде «заклепок», например, из поликремния или фоторезиста. Толщина экранирующего слоя выбирается исходя из селективности травления кремния относительно экранирующего слоя. Например, при формировании экранирующего слоя из поликремния его толщина выбирается равной толщине эпитаксиального слоя с добавкой глубины травления подложки, так как селективность травления кремния относительно поликремния равна единице, то при травлении глубокой щели, травление мелкой щели осуществляется на глубину эпитаксиального слоя. Производится заполнение щелей диэлектрическим материалом с последующей его планаризацией.

Как в способе формирования изоляции, пат. США №4160991, так и в пат. США №4139442 линейный размер мелких щелей для формирования «выносного» контакта к покрытому слою определяется возможностью фотолитографии, а контакт к подложке формируется с использованием двух фотолитографий: фотолитографии скрытого слоя (формированием разрыва в скрытом слое); второй фотолитографии по эпитаксиальному слою для формирования контакта к подложке (диффузии примеси одного типа проводимости с подложкой).

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является способ формирования узких изолирующих областей пат. США №4256514, МПК⁶ H01L 21/763, патентообладатель International Business Machines Corporation, опубл 17.03.1981. В этом способе формирования изоляции (фиг.8) в диэлектрике, сформированном на эпитаксиальном слое, вскрываются окна под мелкие и глубокие щели. Под контакт к подложке ширина окна увеличена в два раза, а в окнах мелких щелей с помощью фотолитографии формируется экранирующий слой в виде «заклепок», например, из поликремния или фоторезиста. Толщина экранирующего слоя выбирается исходя из селективности травления кремния относительно экранирующего слоя. Производится заполнение щелей диэлектрическим материалом с последующей его планаризацией. При этом щели с размером, равным L (области 1 - фиг.8, 9), заполняются диэлектриком 1, а на вертикальных стенках щелей с размером, равным 2 L, формируется разделительный диэлектрик 1, на дне окна под контакт к подложке диэлектрик стравливается. Щель под контакт к подложке заполняется поликремнием 17 (фиг.8, 9), методом фотолитографии формируется поликристаллический контакт 17 (фиг.8) с последующим его легированием и в изолированной области 3 (фиг.8, 9) известными методами формируются базовая и эмиттерная области, а в изолированной области 19 (фиг.9) формируется контакт к скрытому слою.

К недостатком прототипа относится: размер мелкой изоляции 1 (фиг.8) выносного коллектора определяется возможностью фотолитографии, размер контакта 17 к подложке (фиг.8) увеличен в два раза по сравнению с размером мелкой изоляции, что увеличивает площадь, занимаемую транзисторной структурой; для формирования изолирующих областей и контакта к подложке необходимо использовать два разных процесса: осаждение диоксида кремния для формирования изолирующих областей; осаждение поликремния для формирования контакта к подложке, приводящее к длительности маршрута изготовления ИМС.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости изготовления ИМС, а также повышение эффективности и экономичности их изготовления.

Техническими результатами изобретения являются:

повышение плотности компоновки транзисторных структур за счет использования одного процесса осаждения поликремния для формирования контактов к подложке и скрытому слою в изолирующих областях и использование в них изолирующих слоев субмикронной толщины;

уменьшение времени технологического цикла изготовления ИМС, за счет использования единственного процесса осаждения поликремния для заполнения мелких и глубоких изолирующих щелей.

Техническая задача решается тем, что способ самосовмещенного формирования изоляции элементов ИМС и поликремниевых контактов к подложке и скрытому слою включает формирование в подложке первого типа проводимости сплошного скрытого слоя второго типа проводимости, осаждение на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование первого диэлектрика на эпитаксиальном слое, вскрытие окон в первом диэлектрике под глубокие и мелкие изолирующие области, под контакт к подложке, формирование экранирующего слоя в окнах под мелкие изолирующие области, между базовой областью и коллекторным контактом, одновременное травление щелей под изолирующие области и контакт к подложке, формирование охранных областей первого типа проводимости под глубокими изолирующими областями, заполнение щелей диэлектриком, планаризацию, заполнение щели под контакт к подложке поликремнием, формирование контакта к подложке поликремнием, а на месте будущего контакта к n⁺ - скрытому слою в первом и втором диэлектриках вскрывают окно, на вертикальных стенках окна формируют третий разделительный диэлектрик, в окне формируют экранирующий слой, вскрывают окна в первом и втором диэлектриках под глубокую изолирующую область, травят щель на глубину эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложку, а на месте коллекторного контакта на глубину экранирующего и эпитаксиального слоев, формируют разделительный диэлектрик на вертикальных стенках щели, формируют противоканальные области на дне изолирующих щелей, в щелях формируют второй и третий диэлектрики, со дна щели под контакт к подложке и контакт к скрытому слою локально травят диэлектрики и заполняют щели поликремнием, производят планаризацию поликремния и диэлектриков до планарности с подложкой, формируют на подложке диэлектрик, вскрывают в диэлектрике окна под контакты к подложке и к скрытому слою, формируют контакты введением примеси в поликремниевый коллекторный контакт второго типа проводимости и в поликремниевый контакт к подложке первого типа проводимости с последующим термическим отжигом и в изолированной области известными методами формируют базовую и эмиттерную области.

Суть изобретения состоит в том, что на месте будущего контакта к n⁺ - скрытому слою в первом и втором диэлектриках фотолитографией вскрывают окно, на вертикальных стенках вскрытых окон формируют разделительный третий диэлектрик и во вскрытом окне формируют экранирующий слой. Фотолитографией вскрывают окна под разделительные щели, в окнах травят первый и второй диэлектрические слои, под защитой фоторезиста и второго диэлектрического слоя травят щели под изолирующие области и контакт к скрытому слою, на стенках щелей формируют диоксид кремния, на дне щелей изолирующих областей формируют противоканальные области, формируют на стенках комбинированный разделительный диэлектрик, состоящий из нитрида кремния и пиролизного диоксида кремния, с помощью фотолитографии на дне глубокой щели контакта к подложке и к скрытому слою реакционно-ионным травлением травят диэлектрик и щели заполняют поликремнием, производят планаризацию поликремния и диэлектриков до планарности с подложкой, формируют диоксид кремния и известными методами в изолированных областях формируют элементы ИМС.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу путем повышения плотности компоновки транзисторных структур за счет одинаковых размеров изолирующих областей и контакта к подложке и к скрытому слою, а также уменьшения изолирующей области к скрытому слою со стороны базовой области и контакта к подложке до (50-100) нм, сокращения технологического цикла изготовления ИМС за счет использования единственного цикла заполнения поликремнием щелей изолирующих областей и формирования этим поликремнием контакта к подложке и к скрытому слою.

На фиг.1-5 представлены основные этапы изготовления самосовмещенного формирования изоляции элементов ИМС и поликристаллических контактов к подложке и к скрытому слою.

На фиг.1 представлен разрез структуры, где в полупроводниковой подложке 1 первого типа проводимости сформирован скрытый 2 и эпитаксиальный 3 слои второго типа проводимости, сформирован первый диэлектрик 5 и второй диэлектрик 7, в которых вскрыто окно, на вертикальных стенках которого сформирован третий диэлектрик 8 и экранирующий слой 6 на месте будущего выносного глубокого контакта к скрытому слою. Методом фотолитографии вскрыты окна в диэлектрике 7 и 5 под глубокие изолирующие области.

На фиг.2 представлен разрез структуры, где в эпитаксиальном слое 3, в скрытом слое 2 и частично в подложке 1 вытравлены щели 9, 10 под глубокие изолирующие области и вытравлена в эпитаксиальном слое щель 11 под контакт к скрытому слою. На дне глубоких щелей сформированы противоканальные области 15. На вертикальных стенках щелей сформированы диэлектрики 12, 13, 14. Со дна щелей 9 и 11 диэлектрики удалены.

На фиг.3 представлен разрез структуры, где щели заполнены поликремнием 16.

На фиг.4 представлен разрез структуры, где проведена планаризация поликремния и диэлектриков 12, 13, 14, 8, 7, 5 и сформирован диэлектрик 20. Легированием области поликремния 19 примесью одного типа проводимости со скрытым слоем сформирована область 18, которая с легированным поликремнием 19 является контактом к скрытому слою. Легированием области поликремния 17 примесью одного типа проводимости с подложкой сформирована область 21, которая с легированным поликремнием 17 является контактом к подложке. Контакты к скрытому слою и к подложке изолированы от базовой области и друг от друга вертикальными разделительными диэлектриками 12, 13, 14. Вертикальные разделительные диэлектрики 12, 13, 14 и поликремний 22 являются изолирующей областью.

На фиг.5 представлен разрез структуры, где известными методами сформированы базовая область 23, эмиттерная область 24, а также металлизированные контакты: 25 - к базовой области; 26 - к эмиттерной области; 27 - к коллекторной области; 28 - к подложке.

На фиг.6-9 представлены разрез структуры (фиг.6) и структура в плане (фиг.7) согласно предлагаемому изобретению по сравнению с прототипом: разрез структуры (фиг.8) и структура в плане (фиг.9). Сравнение площадей, занимаемых транзисторными структурами, при минимальном линейном размере L, показывает, что площадь транзисторной структуры по предлагаемому изобретению уменьшается в 1,5 раза по сравнению с прототипом.

Пример. В монокристаллической подложке 1, КДБ-12 (100) формировали сплошной скрытый слой 2 (имплантацией сурьмы с Е=100 кэВ и Д=200 мкКл/см² с последующим термическим отжигом при Т=1150°С в течение 60 мин) с параметрами: ρ_s=(57-62) Ом/□ и x_j=(1,3-1,4) мкм. Наращивали эпитаксиальный слой 3 n-типа проводимости ρ_v=(1,5-2,0) Ом·см, толщиной (0,5-0,8) мкм. На эпитаксиальном слое формировали диоксид кремния 5 толщиной (20-30) нм в кислороде при Т=850°С, осаждали пиролизный диоксид кремния 7 пиролизом тетроэтилортосиликата (ТЭОСа) при Т=720°С и Р=80 Па толщиной 0,6 мкм. В диэлектриках 5 и 7 фотолитографией вскрывали окно на месте будущего коллекторного контакта к n⁺ скрытому слою, осаждали нитрид кремния толщиной 0,12 мкм из SiH₂Cl₂+NH₃ при давлении (15-20) Па и Т=810°С. Реакционно-ионным травлением нитрида кремния на вертикальных стенках вскрытого окна формировали разделительный нитрид кремния 8. Осаждали поликремний пиролизом моносилана при Т=620°С и давлении (35-40) Па толщиной (0,5-0,6) мкм. Химико-механической полировкой поликремния до планарности с диоксидом кремния 7 формировали экранирующий слой 6.

Экранирующий слой можно формировать как локальной, так и тотальной эпитаксией. При локальной эпитаксии экранирующий слой из монокристаллического кремния формируется только во вскрытом окне, а при тотальной эпитаксии монокристаллический кремний формируется во вскрытом окне, а на диоксиде кремния 7 формируется поликремний, который химико-механической полировкой удаляется с диоксида кремния 7. Фотолитографией в диоксиде кремния 1 и пиролизном диоксиде кремния 7 вскрывали окна и плазмохимическим травлением (ПХТ) в парогазовой смеси SF₆+CF₃ при давлении (5-7) мм рт.ст. формировали щель 9, 10 в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке и щель 11 в эпитаксиальном слое. На щели формировали диоксид кремния 13 толщиной (20-30) нм в кислороде при Т=850°С, формировали противоканальные области 15 р-типа ионной имплантацией ионов бора с Е=50 кэВ и Д=10 мкКл/см², осаждали нитрид кремния 14 толщиной 0,05 мкм из дихлорсилана+аммиака (SiH₂Cl₂+NH₃) при давлении (15-20) Па и Т=810°С и пиролизный диоксид кремния 12 толщиной 0,05 мкм. С помощью фотолитографии на дне щели 9 и 11 под контакт к подложке и контакт n⁺ - скрытому слою травили диэлектрики 12, 13, 14 и щели 9, 10, 11 заполняли поликремнием 16 при Т=620°С пиролизом моносилана и давлении (35-40) Па и производили планаризацию поликремния до планарности с диэлектриком 7 с последующим травлением диэлектриков. Осаждали пиролизный диоксид кремния 20 толщиной (0,45-0,5) мкм, вскрывали окна в диоксиде кремния 20, локально-ионной имплантацией вводили примесь р-типа в поликристаллический контакт к подложке 17, n-типа в поликристаллический контакт 19 к покрытому слою, термическим отжигом при Т=900°С осуществляли перераспределение примеси из поликристаллических контактов в подложку 1 (область 21) и в n⁺ скрытый слой 2 (область 18). Известными методами формировали базовую 23 и эмиттерную 24 области и металлизированные контакты: 25 - к базовой области; 26 - к эмиттерной области; 27 - к коллекторной области; 28 - к подложке.

Использование: микроэлектроника, технология изготовления интегральных микросхем (ИМС). Сущность изобретения: в способе самосовмещенного формирования изоляции элементов ИМС и поликремниевых контактов к подложке и n+ - скрытому слою на полупроводниковой подложке со сплошным скрытым и эпитаксиальным слоями формируют первый и второй диэлектрические слои, в которых фотолитографией вскрывают окно на месте будущего коллекторного контакта к n+ - скрытому слою, формируют на вертикальных стенках окна разделительный третий диэлектрик, формируют в окне экранирующий слой, одновременно вскрывают в первом и втором диэлектриках окна под глубокую изолирующую область и контакт к подложке, травят щель на глубину эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложку, а на месте коллекторного контакта на глубину экранирующего и эпитаксиального слоев формируют разделительный диэлектрик на вертикальных стенках щели, формируют противоканальные области на дне глубоких изолирующих щелей, в щелях формируют второй и третий диэлектрики, со дна щели под контакты локально травят диэлектрики и заполняют щели поликремнием, производят планаризацию поликремния и диэлектриков, формируют на подложке диэлектрик, вскрывают в диэлектрике окна под контакты к подложке и к скрытому слою, формируют контакты. Изобретение обеспечивает повышение плотности компоновки и уменьшение времени технологического цикла. 9 ил.

Способ самосовмещенного формирования изоляции элементов интегральных микросхем и поликремниевых контактов к подложке и скрытому слою, включающий формирование в подложке первого типа проводимости сплошного скрытого слоя второго типа проводимости, осаждение на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование первого диэлектрика на эпитаксиальном слое, вскрытие окон в первом диэлектрике под глубокие и мелкие изолирующие области, под контакт к подложке, формирование экранирующего слоя в окнах под мелкие изолирующие области, между базовой областью и коллекторным контактом, одновременное травление щелей под изолирующие области и контакт к подложке, формирование охранных областей первого типа проводимости под глубокими изолирующими областями, заполнение щелей диэлектриком, планаризацию, заполнение щели под контакт к подложке поликремнием, формирование контакта к подложке поликремнием, отличающийся тем, что на месте будущего контакта к n⁺-скрытому слою в первом и втором диэлектриках вскрывают окно, на вертикальных стенках окна формируют третий разделительный диэлектрик, в окне формируют экранирующий слой, вскрывают окна в первом и втором диэлектриках под глубокую изолирующую область, травят щель на глубину эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложку, а на месте коллекторного контакта - на глубину экранирующего и эпитаксиального слоев формируют разделительный диэлектрик на вертикальных стенках щели, формируют противоканальные области на дне изолирующих щелей, в щелях формируют второй и третий диэлектрики, со дна щели под контакт к подложке и контакт к скрытому слою локально травят диэлектрики и заполняют щели поликремнием, производят планаризацию поликремния и диэлектриков до планарности с подложкой, формируют на подложке диэлектрик, вскрывают в диэлектрике окна под контакты к подложке и к скрытому слою, формируют контакты введением примеси в поликремниевый коллекторный контакт второго типа проводимости и в поликремниевый контакт к подложке первого типа проводимости с последующим термическим отжигом и в изолированной области известными методами формируют базовую и эмиттерную области.