СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСОВМЕЩЕННЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2009 года по МПК H01L21/8222 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления самосовмещенных транзисторных структур в составе ИМС. Способы самосовмещенной технологии позволили уменьшить расстояние между областями до субмикронных размеров, что способствовало уменьшению размеров биполярных и МОП структур и улучшению качества электрических параметров ИМС.

В технологии изготовления транзисторных структур существует частичное самосовмещение, например, когда сток-истоковые и затворные области самосовмещены относительно изолирующей области или эмиттерная область самосовмещена с металлическим контактом, не требующее дополнительных технологических операций, и частичное самосовмещение, требующее дополнительные технологические операции для реализации самосовмещения, например, когда контакт к n⁺-скрытому слою (коллекторный контакт), боковая изоляция этого контакта самосовмещены с изолирующей областью транзисторной структуры. В патенте США №4256514 [1] в диэлектрике, сформированном на эпитаксиальном слое, вскрываются окна под мелкие и глубокие щели, под контакт к подложке. 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 1 L, заполняются диэлектриком, а на вертикальных стенках щелей с размером, равным 2 L, формируется разделительный диэлектрик, на дне окна под контакт к подложке диэлектрик стравливается. Щель под контакт к подложке заполняется поликремнием, методом фотолитографии формируется поликристаллический контакт к подложке с последующим его легированием и в изолированной области известными методами формируются базовая и эмиттерная области, в мелкой изолированной области формируется контакт к n⁺-скрытому слою (коллекторный контакт).

Существуют способы изготовления структур, в которых осуществлено почти полное самосовмещение, за исключением самосовмещения изолирующей области с контактом к подложке. Так, в патенте РФ №2295800 [2] «Способ изготовления самосовмещенного БиКМОП-прибора», включающий формирование области скрытого слоя второго типа проводимости на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, осаждение на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование на нем диэлектрического слоя, локальное формирование в эпитаксиальном слое карманов первого и второго типов проводимости, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, его легирование примесью первого типа проводимости над карманами второго типа проводимости, примесью второго типа проводимости над карманами первого типа проводимости, формирование второго и третьего диэлектрического слоя на первом слое поликристаллического кремния, локальное удаление второго и третьего диэлектрических слоев и первого слоя поликристаллического кремния в местах будущих изолирующих, затворных, активных базовых областей и коллекторных контактов, локальное удаление первого диэлектрического слоя со дна будущих изолирующих областей и коллекторных контактов, формирование третьего разделительного диэлектрика на вертикальных стенках сформированных окон, подтравливание первого диэлектрика, расположенного под первым слоем поликристаллического кремния, по периметру окон затворных и активных базовых областей, формирование из второго диэлектрического слоя разделительного диэлектрика на вертикальных стенках окон под изолирующие области, при этом окна затворных, активных базовых и коллекторных областей полностью заполняются вторым диэлектрическим слоем, проведение планаризации второго диэлектрического слоя до третьего диэлектрического слоя, травление канавок на глубину, равную толщине эпитаксиального, скрытого слоев и травление подложки на глубину обедненного пространственного заряда, формирование в вытравленных канавках диэлектрика, проведение легирования дна канавки примесью одного типа проводимости с подложкой, осаждение слоя поликристаллического кремния для заполнения вытравленных канавок с последующей его планаризацией до уровня третьего диэлектрического слоя, расположенного на первом слое поликристаллического кремния, удаление второго диэлектрика в затворных, активных базовых и контактных областях к коллекторам, формирование второго разделительного диэлектрика в этих окнах, формирование подзатворного диоксида кремния на дне окон, проведение локального легирования примесью первого типа проводимости активных базовых областей n-p-n и контактных областей к коллекторам p-n-р транзисторов и примесью второго типа проводимости активных базовых областей p-n-р и контактных областей к коллекторам n-р-n транзисторов, локальное удаление подзатворного диоксида кремния со дна активных базовых и контактов коллекторных областей, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния толщиной не менее половины линейного фотохемографического размера вскрываемого окна под изолирующие области, проведение его планаризации до третьего диэлектрика, проведение локального легирования третьего слоя поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости эмиттерных и контактов коллекторных областей p-n-р транзисторов и затворных областей р-МОП транзисторов, примесью второго типа проводимости эмиттерных и контактов коллекторных областей n-p-n транзисторов и затворных областей n-МОП транзисторов, производят удаление второго и третьего диэлектрика, расположенные над сток-истоковыми, пассивными базовыми областями, и формируют металлизированную разводку. Самосовмещение изолирующих областей с другими областями транзисторных структур достигается тем, что линейный размер окон под изолирующие области равняется полуторному линейному фотохемографическому размеру окон активной базовой, затворных областей, контакта к коллектору, что обеспечивает, при формировании разделительного диэлектрика из второго диэлектрика на вертикальных стенках окон под изолирующие области толщиной половины линейного фотохемографического размера окон под активные базовые, затворные области и коллекторные контакты, полное заполнение вторым диэлектриком окон транзисторных структур и частичное заполнение окон под изолирующие области, которое позволяет осуществлять формирование изолирующих областей под защитой вторым диэлектриком окон транзисторных структур без рассовмещения с другими областями транзисторных структур, а разделительный диэлектрик из третьего диэлектрического слоя, защищающий первый и второй диэлектрические слои и первый слой поликристаллического кремния в окнах под изолирующие области и контакты к коллекторам, а в окнах под активные базовые и сток-истоковые области этот разделительный диэлектрик, защищающий второй диэлектрический слой и первый слой поликристаллического кремния, позволяет только в этих окнах проводить подтравливание первого диэлектрического слоя под первым слоем поликристаллического кремния и осаждение второго слоя поликристаллического кремния для заполнения вытравленных областей под первым слоем поликристаллического кремния с поледующим прокислением второго слоя поликристаллического кремния на вертикальных стенках окон, что дает возможность совместить пассивные, активные базовые, эмиттерные, затворные, сток-истоковые области.

Недостатком вышеуказанных способов изготовления является отсутствие полного самосовмещения всех элементов структуры. Так, в пат США №4256514 [1] транзисторные области не самосовмещены с изолирующей областью и контактом к подложке. Для формирования областей транзисторной структуры необходимо делать три фотохемографии: под базовую область; под эмиттерную область; под контакт к эмиттерной и базовой областям, в связи с чем необходимо давать трижды допуски на рассовмещение. В пат. РФ №2295800 контакт к подложке не совмещен с изолирующими и транзисторными областями, для его формирования необходимо делать три фотохемографии: перед формированием n⁺-скрытого слоя (для его разрыва); под диффузию примеси до подложки; под контакт к подложке, при этом необходимо давать трижды допуски на рассовмещение.

Технической задачей изобретения является повышение плотности компоновки транзисторных структур за счет полного самосовмещения структуры: областей транзисторной структуры между собой; изолирующей области с контактом к подложке; последних с областями транзисторной структуры.

Техническая задача решается тем, что предложенный способ включает формирование в полупроводниковой подложке первого типа проводимости сплошного скрытого слоя второго типа проводимости, на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование первого диэлектрика, легирование эпитаксиального слоя через первый диэлектрик примесью первого типа проводимости, формирование второго диэлектрического слоя, вскрытие окон в первом и втором диэлектриках, на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, на месте будущего контакта к пассивной области базы, на месте будущей эмиттерной области, формирование на вертикальных стенках третьего разделительного диэлектрика, формирование экранирующего слоя в окнах, формирование четвертого диэлектрика, вскрытие окна в первом, во втором и четвертом диэлектриках под глубокую изолирующую область и окна в четвертом диэлектрике над экранирующим слоем, расположенным на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, формирование щели травлением в окне эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложки в окне под изолирующую область, а в окне, на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, травлением экранирующего и эпитаксиального слоев, формирование первого диэлектрика в щели, формирование противоканальной области на дне щелей, формирование в щелях третьего диэлектрика, локальное травление первого и третьего диэлектриков со дна щелей под контакт к подложке и коллекторный контакт к скрытому слою, заполнение щелей поликремнием, планаризацию поликремния до четвертого диэлектрика, расположенного на горизонтальной поверхности подложки, локальное легирование примесью первого типа проводимости поликремневого контакта к подложке, локальное легирование примесью второго типа проводимости поликремниевого коллекторного контакта к скрытому слою, формирование на поликремнии пятого диэлектрика, локальное травление четвертого диэлектрика на горизонтальной поверхности подложки, локальное удаление пятого диэлектрика, расположенного на поликремнии, на месте коллекторного контакта к скрытому слою и контакту к подложке, локальное легирование примесью первого типа проводимости в поликремниевый контакт к подложке и в экранирующий слой, расположенный на месте контакта к пассивной области базы, локальное легирование примесью второго типа проводимости в поликремниевый коллекторный контакт к скрытому слою и в экранирующий слой, расположенный на месте эмиттерной области, термический отжиг структуры для формирования областей структуры, формирование разводки структуры полицидом тугоплавкого металла.

Суть изобретения состоит в том, что формирование экранирующих слоев на месте будущей эмиттерной области и на месте пассивной области базы позволяет обеспечить полное самосовмещение структуры. Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что в нем обеспечено полное самосовмещение структуры: областей транзисторной структуры между собой; изолирующей области с контактом к подложке; последних с областями транзисторной структуры. Полностью самосовмещенная технология позволяет также повышать воспроизводимость параметров приборов.

Данная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу - повышение плотности компоновки транзисторных структур.

На фиг.1-8 представлены основные этапы изготовления самосовмещенной транзисторной структуры.

На фиг.1 представлен разрез структуры, где в полупроводниковой подложке 1 сформирован скрытый слой 2, на котором сформирован эпитаксиальный слой 3, на эпитаксиальном слое сформирован первый диэлектрический слой 5 и через этот диэлектрический слой сформирована область 4 одного типа проводимости с подложкой.

На фиг.2 представлен разрез структуры, где сформирован второй диэлектрический слой 6, в первом и во втором диэлектрических слоях вскрыты окна, на месте будущей эмиттерной области, контакта к пассивной области базы и коллекторного контакта к скрытому слою, на боковых стенках окон сформирован третий разделительный диэлектрик 7, в окнах сформированы экранирующие слои на месте будущей эмиттерной области 10, контакта к пассивной области базы 9 и коллекторного контакта 8 к скрытому слою. На второй диэлектрический и на экранирующие слои осажден четвертый диэлектрический слой 11. В первом, во втором и четвертом диэлектрических слоях одновременно вскрыты окна 12 и 13 под изолирующую область и контакт к подложке, соответственно, и окно в четвертом диэлектрике 11, расположенном над экранирующем слоем 8.

На фиг.3 представлен разрез структуры, в которой сформированы одновременно канавки: под изолирующую область 18; под контакт к подложке 14 в эпитаксиальном 3, скрытом 2 и частично в подложке 1; под контакт к скрытому слою 16 в эпитаксиальном слое. В канавках сформирован диэлектрический слой 17, через который на дне канавок сформирована противоканальная область 15, в канавках сформирован диэлектрический слой 19 и со дна канавок 14 и 16 диэлектрические слои 17 и 19 удалены.

На фиг.4 представлен разрез структуры, в которой канавки заполнены поликристаллическим слоем 20.

На фиг.5 представлен разрез структуры, в которой проведена планаризация поликристаллического слоя 20 до четвертого диэлектрического слоя 11 (фиг.2). Локально в поликремний, расположенный в щели 18 и щели 14, введена примесь 21 одного типа проводимости с подложкой и в поликремний, расположенный в щели 16, введена примесь 22 противоположного типа проводимости подложки. На поликремнии в канавках сформирован пятый диэлектрик 23.

На фиг.6 представлен разрез структуры, в которой локально удален пятый диэлектрический слой 23 с контакта к скрытому слою и с контакта к подложке, удален третий диэлектрический слой (11 фиг.2) с поверхности второго диэлектрического (5 фиг.1) и экранирующих (9 и 10 фиг.2) слоев. Введена примесь противоположного типа проводимости подложки в коллекторный контакт к скрытому слою и в экранирующий слой, расположенный на месте эмиттерной области, введена примесь одного типа проводимости с подложкой в контакт к подложке и экранирующий слой, расположенный на месте контакта к пассивной области базы.

На фиг.7 представлен разрез транзисторной структуры, в которой термическим отжигом примеси сформированы: эмиттерная область 24; активная область базы 28; контакт к пассивной области базы 25; пассивная область базы 29; коллекторный контакт 26 к скрытому слою; контакт к подложке 27.

На фиг.8 представлен разрез транзисторной структуры, в которой полицидом тугоплавкого металла сформированы контакты 30 к эмиттерной области, 31 к пассивной области базы, 32 к коллекторному контакту, 33 к подложке.

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 T=1150°С в течение 60 мин) с параметрами: ρ_s=(57-62) Ом/i 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 (первый диэлектрик) диоксид кремния 5 толщиной (20-30) нм в кислороде при Т=850°С, ионным легированием BF₂ с Е=40 кэВ и D=20 мкКл/см², в эпитаксиальный слой вводили примесь, осаждали (второй диэлектрик) пиролизный диоксид кремния 6 пиролизом тетроэтилортосиликата (ТЭОСа) при Т=720°С и Р=80 Па толщиной 1,4 мкм. В диэлектриках 5 и 6 фотохемографией вскрывали окна на месте будущего коллекторного контакта к n⁺-скрытому слою, на месте будущей эмиттерной области и на месте будущего контакта к пассивной области базы осаждали (третий диэлектрик) 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 7. Осаждали поликремний пиролизом моносилана при Т=620°С и давлении (35-40) Па толщиной (1,35-1,4) мкм. Химико-механической полировкой поликремния до планарности с диоксидом кремния 6 формировали экранирующий слой 8, 9, 10. Осаждали (четвертый диэлектрик) нитрид кремния 11 толщиной 0.15 мкм.

Фотохемографией в диоксиде кремния 5 и пиролизном диоксиде кремния 6 вскрывали окно под изолирующую область и контакт к подложке, а окно под коллекторный контакт к n⁺-скрытому слою вскрывали в нитриде кремния (четвертом диэлектрике) 11, расположенным над экранирующим слоем будущего коллекторного контакта к n⁺-скрытому слою и плазмохимическим травлением (ПХТ) в парогазовой смеси SF₆+CF₃ при давлении (5-7) мм рт.ст., формировали щель 14, 18, в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке и щель 16 в эпитаксиальном слое. На щели формировали диоксид кремния 17 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 19 толщиной 0,05 мкм из дихлорсилана+аммиака (SiH₂Cl₂+NH₃) при давлении (15-20) Па и Т=810°С. С помощью фотохемографии, на дне щели 16 и 14 под контакт к подложке и коллекторный контакт к n⁺- скрытому слою, травили диэлектрики 17 и 19 и щели 14, 18, 16 заполняли поликремнием 20 при Т=620°С пиролизом моносилана при давлении (35-40) Па, и проводили планаризацию поликремния до планарности с четвертым диэлектриком, и локально ионной имплантацией с Е=50 кэВ и Д=600 мкКл/см² вводили бор в поликремниевый контакт к подложке, с Е=50 кэВ и Д=850 мкКл/см² вводили фосфор в поликремниевый коллекторный контакт к n⁺-скрытому слою. Формировали в поликремниевых областях диоксид кремния 21 (пятый диэлектрик) толщиной (0,35-0,45) мкм в парах воды при Т=1173К. Селективно удаляли нитрид кремния 11 (четвертый диэлектрик) в ортофосфорной кислоте при Т=453К, с помощью фотохемографии травили диоксид кремния 21 (пятый диэлектрик) над поликремниевым контактом к подложке и над поликремниевым контактом к n⁺-скрытому слою. Локально ионной имплантацией с Е=100 кэВ и Д=500 мкКл/см² вводили бор в поликремниевый контакт к подложке и в экранирующий слой на месте контакта к пассивной области базы, локально ионной имплантацией с Е=120 кэВ и Д=1200 мкКл/см² вводили мышьяк в поликремниевый коллекторный контакт к n⁺-скрытому слою и в экранирующий слой на месте эмиттерной области. Формировали области структур термическим отжигом при Т=1173К (30-40) мин в потоке азота. Металлизацию областей структуры проводили полицидом никеля. Напыляли никель толщиной (0,15-0,02) мкм; с последующим отжигом при Т=723К, 30 мин и обработкой в КАРО - (H₂SO₄+Н₂O₂) (1,5-2) мин.

Источники информации

1. Пат. US №4256514, МПК H01L 29/73, опубл. 17.03 1981, автор POGGE HANS.

2. Пат. RU №2295800, МПК H01L 21/8248, опубл. 20.03.2007, авторы Грибова М.Н., Манжа Н.М., Рыгалин Б.Н., Сауров А.Н.

Изобретение относится к микроэлектронике. Сущность изобретения: способ изготовления самосовмещенных транзисторных структур включает формирование в полупроводниковой подложке первого типа проводимости сплошного скрытого слоя второго типа проводимости, формирование на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование первого диэлектрика, легирование эпитаксиального слоя через первый диэлектрик примесью первого типа проводимости, формирование второго диэлектрического слоя, вскрытие окон в первом и втором диэлектриках, на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, на месте будущего контакта к пассивной области базы, на месте будущей эмиттерной области, формирование на вертикальных стенках третьего разделительного диэлектрика, формирование экранирующих слоев в окнах, формирование четвертого диэлектрика, вскрытие окна в первом, во втором и четвертом диэлектриках под глубокую изолирующую область и окна в четвертом диэлектрике над экранирующим слоем, расположенным на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, формирование щели травлением в окне эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложки под изолирующую область, а в окне, на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, травлением экранирующего и эпитаксиального слоев, формирование первого диэлектрика в щели, формирование противоканальных областей на дне щелей, формирование в щелях третьего диэлектрика, локальное травление первого и третьего диэлектриков со дна щелей под контакт к подложке и коллекторный контакт к скрытому слою, заполнение щелей поликремнием, планаризацию поликремния до четвертого диэлектрика, расположенного на горизонтальной поверхности подложки, локальное легирование примесью первого типа проводимости поликремниевого контакта к подложке, локальное легирование примесью второго типа проводимости поликремниевого коллекторного контакта к скрытому слою, формирование на поликремнии пятого диэлектрика, локальное травление четвертого диэлектрика на горизонтальной поверхности подложки, локальное удаление пятого диэлектрика, расположенного на поликремнии, на месте коллекторного контакта к скрытому слою и контакту к подложке, локальное легирование примесью первого типа проводимости в поликремниевый контакт к подложке и в экранирующий слой, расположенный на месте контакта к пассивной области базы, локальное легирование примесью второго типа проводимости в поликремниевый коллекторный контакт к скрытому слою и в экранирующий слой, расположенный на месте эмиттерной области, термический отжиг структуры для формирования областей структуры, формирование разводки структуры полицидом тугоплавкого металла. Техническим результатом изобретения является повышение плотности компоновки транзисторных структур за счет самосовмещения, как самих областей транзисторной структуры, так и самосовмещения изолирующей области с контактом к подложке и самосовмещение последних с областями транзисторной структуры. Полностью самосовмещенная технология позволяет также повышать воспроизводимость параметров приборов. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления самосовмещенных транзисторных структур, включающий формирование в полупроводниковой подложке первого типа проводимости сплошного скрытого слоя второго типа проводимости, формирование на полупроводниковой подложке эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование первого диэлектрика, легирование эпитаксиального слоя через первый диэлектрик примесью первого типа проводимости, формирование второго диэлектрического слоя, вскрытие окон в первом и втором диэлектриках на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, на месте будущего контакта к пассивной области базы, на месте будущей эмиттерной области, формирование на вертикальных стенках третьего разделительного диэлектрика, формирование экранирующих слоев в окнах, формирование четвертого диэлектрика, вскрытие окна в первом, во втором и четвертом диэлектриках под глубокую изолирующую область и окна в четвертом диэлектрике над экранирующим слоем, расположенным на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, формирование щели травлением в окне эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложки под изолирующую область, а в окне, на месте будущего коллекторного контакта к скрытому слою, травлением экранирующего и эпитаксиального слоев, формирование первого диэлектрика в щели, формирование противоканальных областей на дне щелей, формирование в щелях третьего диэлектрика, локальное травление первого и третьего диэлектриков со дна щелей под контакт к подложке и коллекторный контакт к скрытому слою, заполнение щелей поликремнием, планаризацию поликремния до четвертого диэлектрика, расположенного на горизонтальной поверхности подложки, локальное легирование примесью первого типа проводимости поликремниевого контакта к подложке, локальное легирование примесью второго типа проводимости поликремниевого коллекторного контакта к скрытому слою, формирование на поликремнии пятого диэлектрика, локальное травление четвертого диэлектрика на горизонтальной поверхности подложки, локальное удаление пятого диэлектрика, расположенного на поликремнии, на месте коллекторного контакта к скрытому слою и контакту к подложке, локальное легирование примесью первого типа проводимости в поликремниевый контакт к подложке и в экранирующий слой, расположенный на месте контакта к пассивной области базы, локальное легирование примесью второго типа проводимости в поликремниевый коллекторный контакт к скрытому слою и в экранирующий слой, расположенный на месте эмиттерной области, термический отжиг структуры для формирования областей структуры, формирование разводки структуры полицидом тугоплавкого металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что третий диэлектрик формируют из нитрида кремния.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина экранирующего слоя на коллекторном контакте к скрытому слою равна толщине скрытого слоя.