СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА Российский патент 2011 года по МПК H01L21/336 

Способ изготовления полупроводникового прибора относится к микроэлектронике, а именно к области силовых полупроводниковых приборов, в частности к силовым БТИЗ и ДМОП-транзисторам, задачей которого является снижение сопротивления в открытом состоянии R_си без увеличения размеров кристалла и повышения быстродействия без ухудшения других характеристик.

Из рассмотрения типовой конструкции ДМОП-транзистора на фиг.1, которая содержит локальный окисел 1, подзатворный диэлектрик 2, поликремниевый электрод-затвор 3, межслойный диэлектрик 4, истоковый металлический электрод 5, Р+(N+) область истока 6, N+/N- (или Р+/Р-) области истока/канала 7/8, Р-(N-) область стока 9, Р+(N+) область стока 10, область металлизации стока 11, L_и - длину истоковой области от металлизации истока до канала. Видно, что R_си состоит из сопротивления контактов Al (или другой) металлизации к кремниевому истоку R_ки, сопротивления истоковой области R_и (длиной L_и), сопротивления канала R_кан, сопротивления эпитаксиальной пленки R_эпи, сопротивления подложки R_п и сопротивления стокового контакта к металлизации подложки R_кс. Быстродействие, в свою очередь, частично определяется емкостью затвора относительно истока, а также другими элементами, которые в рассматриваемом изобретении не подвергались изменениям.

Так как R_эпи и R_кан ограничиваются снизу пробивным напряжением, a R_п и R_кс выбираются минимальными в пределах возможностей имеющегося оборудования, то для снижения R_си остается только попытаться снизить R_и и R_ки. Обе эти величины взаимосвязаны друг с другом. Так увеличение горизонтальных размеров контактов без изменения шага ячеек приводит к автоматическому уменьшению длины истоковой области, и, следовательно, к снижению как R_и, так и R_ки. Но имеется определенный допуск в пределах такого способа увеличения размеров контактов и уменьшения длины истоковой области. В основном этот допуск определяется используемым для силовых приборов оборудованием, который составляет около 1,5÷2,0 мкм, что недостаточно.

Максимальное уменьшение R_и и R_ки возможно при увеличении размеров-контактов до краев межслойной изоляции по бокам затворов - фиг.2, которая содержит поликремниевый электрод-затвор 3, межслойный диэлектрик 4, истоковый металлический электрод 5, Р+(N+) область истока 6, N+/N- (или Р+/Р-) области истока/канала 7/8, Р-(N-) область стока 9, Р+(N+) область стока 10, область металлизации стока 11, L_и - длину истоковой области от металлизации истока до канала. Но простым увеличением размеров контактов этого делать нельзя из-за предельных допусков на рассовмещение и растравливание межслойной изоляции, которые в сумме могут превышать толщину боковой межслойной изоляции затворов, что может приводить к резкому снижению процента выхода годных транзисторов из-за замыкания затвора с истоком.

Наилучшим решением для такого предельного увеличения контактов и уменьшения длины истоковой области L_и было бы использование технологии с боковой изоляцией затворного поликремния - фиг.3, которая содержит поликремниевый электрод-затвор 3, межслойный диэлектрик 4, истоковый металлический электрод 5, Р+(N+) область истока 6, N+/N- (или Р+/Р-) области истока/канала 7/8, Р-(N-) область стока 9, Р+(N+) область стока 10, область металлизации стока 11, боковую изоляцию 12 затворов, L_и - длину истоковой области от металлизации истока до канала, L_зи - перекрытие затвором истока. В данном случае боковая изоляция затворного поликремния создается за счет отдельного технологического процесса.

Известно множество конструкций микросхем, имеющих в своей конструкции боковую изоляцию электродов-затворов. Так в патенте US 6838327 от 4.01.2005, МПК H01L 21/8238 описывается прибор и способ его изготовления, в котором в качестве затвора используется полиметалл, над которым располагается слой нитрида кремния, а по бокам с ними имеется боковая изоляция, материал которой не назван, по-видимому, потому, что основной задачей изобретения было создание высоколегированных областей стока перед созданием боковой изоляции, а в качестве бокового изолятора мог использоваться любой диэлектрик. Такая конструкция необходима авторам для снижения влияния горячих носителей в стоковой области на пороговое напряжение. Подобные задачи решаются и в патенте US5650347 от 22.07.1997, МПК H01L 21/265.

При анализе других иностранных патентов был обнаружен патент JP 1020663 от 15.07.1987, МПК H01L 21/336, наиболее близко подходящий под решение поставленной задачи снижения R_си, который был взят за прототип.

Целью данного известного изобретения было препятствовать разрушению или загрязнению кремниевой подложки, предотвратить чрезмерное окисление материала электрода-затвора при окислении, и образовать стабильное полупроводниковое устройство с хорошей воспроизводимостью, что обеспечивалось нитридом кремния как стоп-слоем во время формирования боковой стенки и как прокладка между материалами затвора и боковой стенки. На подложке прототипа сформирована оксидная пленка, как изолирующая пленка электрода-затвора. Затем она накрывается электродом-затвором, сделанным из поликристаллического кремния с изоляционной пленкой сверху, сформированных при операции гравировки, использующей фоторезист. Далее, после того, как на всей поверхности сформирована пленка нитрида кремния, формируется пленка боковой изоляции затвора методом выращивания из паровой фазы с последующим анизотропным методом ионного травления всей поверхности для образования боковой изоляции затвора. С помощью пленки, используемой как стоп-слой при гравировке, может быть сформирована боковая изоляция затвора без разрушения или загрязнения не только подложки, но и пленки подзатворного оксида. Кроме этого эффект прокладки между материалами затвора и боковой изоляции затвора представляемый пленкой препятствует тому, чтобы электродные материалы сверхоксидировались.

Как видно из описания прототипа, при изготовлении электрода-затвора и его боковой изоляции используется анизотропное ионное травление всех слоев (стенки всех слоев вертикальные) и в качестве прослойки между боковой стенкой и поликремнием используется Si₃N₄.

Однако при всех достоинствах приведенной технологии изготовления МОП-транзистора, использующей анизотропное ионное травление всех слоев, она обладает и одним недостатком, который имеет решающее значение при решении задачи, поставленной авторам заявленного изобретения. При анизотропном ионном травлении по технологии прототипа невозможно снизить перекрытие электродом-затвором истока.

Перед авторами представленного к рассмотрению изобретения стояли задачи создания технологического процесса, позволяющего до минимума сократить значение сопротивления сток-исток в открытом состоянии - R_си для ДМОП-транзисторов или Uкэ откр - напряжение коллектор-эмиттер в открытом состоянии для БТИЗ, а также получение максимального быстродействия.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления полупроводникового прибора, включающий формирование полупроводниковой подложки первого типа проводимости, затворного электрода, сформированного над подзатворным диэлектриком и отделенного межслойной и боковой изоляцией от металлического электрода истока (эмиттера), канальной области второго типа проводимости и истоковой области первого типа проводимости, сформированных последовательным ионным легированием примесей в окна заданной формы в затворном электроде, металлического электрода истока, отличается тем, что создают подзатворный диэлектрик, затворный электрод и межслойную изоляцию над затворным электродом в едином фотолитографическом процессе плазмохимическим слабовыраженным анизотропным травлением с отношением вертикальной к горизонтальной, составляющей скоростей травления как (3÷5)/1, создают боковую изоляцию на боковых поверхностях затворного электрода и межслойной изоляции первым слоем из нитрида кремния толщиной от 500 А до 2000 А и вторым слоем из легированного стекловидного окисла кремния толщиной от 0,5 до 1,2 мкм, формируют нанесенную боковую изоляцию анизотропным стравливанием легированного стекловидного окисла кремния до нитрида кремния и изотропным стравливанием нитрида кремния до поверхности полупроводниковых областей истока в затворных окнах, внедряют примеси канальных и истоковых областей в полупроводниковую подложку через окна в затворном электроде перед формированием боковой изоляции или внедряют примеси канальных и истоковых областей в полупроводниковую подложку через окна в затворном электроде после формирования боковой изоляции, часть примеси истоковых областей внедряют в полупроводниковую подложку в окна в затворном электроде перед формированием боковой изоляции, а часть после формирования боковой изоляции создают контакт металлического истока с истоковыми и канальными областями путем вытравливания полупроводника плазменным способом через отверстия в маске фоторезиста, располагающиеся в середине окон затворного электрода, на глубину, превышающую глубину истоковых областей, а следом травят жидкостным способом окисел кремния для создания контактов к затворному электроду с использованием той же фоторезистивной маски над затворным электродом с последующим ионным легированием примесью того же типа, что и канальные области с концентрацией примесей, в 30-100 раз превышающей канальную, или создают контакт металлического истока с истоковыми и канальными областями путем вытравливания полупроводника плазменным способом через отверстия в маске фоторезиста, располагающиеся в середине окон затворного электрода, на глубину, превышающую глубину истоковых областей с последующим ионным легированием примесью того же типа, что и канальные области с концентрацией примесей, в 30-100 раз превышающей канальную, после чего травят жидкостным способом окисел кремния для создания контактов к затворному электроду с использованием той же фоторезистивной маски над затворным электродом, создают в качестве второго слоя под подложкой первого типа проводимости слой второго типа проводимости или создают в качестве второго слоя под подложкой первого типа проводимости слой из чередующихся областей первого и второго типа проводимости, прилегающих к вышеуказанной подложке первого типа проводимости, причем чередующиеся области первого и второго типа проводимости, прилегающие к подложке первого типа проводимости, создаются до или после изготовления полупроводникового прибора.

Для выполнения поставленных задач было решено на фотогравировке «Затворы» использовать способ контролируемого слабовыраженного анизотропного травления с отношением скоростей вертикальной и горизонтальной составляющих как ~4/1.

При слабовыраженном анизотропном плазмохимическом травлении межслойной изоляции и поликремния при формировании затворов с дальнейшим ионным легированием канальной примесью и истоковой примесью в сформированное отверстие - фиг.4, на которой изображены поликремниевый электрод-затвор 3, межслойный диэлектрик 4, истоковый металлический электрод 5, Р+(N+) область истока 6, N+/N- (или Р+/Р-) области истока/канала 7/8, Р-(N-) область стока 9, Р+(N+) область стока 10, область металлизации стока 11, боковую изоляцию 12 затворов, боковой нитрид кремния 13 (Si₃N₄), L_и - длину истоковой области от металлизации истока до канала, L_зи - перекрытие затвором истока, емкость электрод-затвор-исток получается гораздо меньше, чем при анизотропном травлении межслойного изолятора и поликремния, т.к. за счет контролируемого подтравливания поликремния при слабовыраженном анизотропном травлении перекрытие затвором истока получается меньше приблизительно на 30% (что можно видеть при сравнении фиг.3 с фиг.4), а следовательно, меньше и емкость электрод-затвор-исток и как следствие -повышенное быстродействие и пониженное R_си.

Практическая проверка подтвердила правильность выбранных решений. Быстродействие изготовленных по предлагаемому способу изготовления полупроводниковых приборов оказались в ~1,3÷1,5 раза выше, чем у аналогичных полупроводниковых приборов, а R_си ниже.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к области силовых полупроводниковых приборов, в частности к силовым БТИЗ и ДМОП-транзисторам. Изобретение обеспечивает снижение сопротивления в открытом состоянии без увеличения размеров кристалла и повышение быстродействия без ухудшения других характеристик. Сущность изобретения: в способе изготовления полупроводникового прибора, включающем формирование полупроводниковой подложки первого типа проводимости, затворного электрода, сформированного над подзатворным диэлектриком и отделенного межслойной и боковой изоляцией от металлического электрода истока (эмиттера), канальной области второго типа проводимости и истоковой области первого типа проводимости, сформированных последовательным ионным легированием примесей в окна заданной формы в затворном электроде, и металлического электрода истока, создают подзатворный диэлектрик, затворный электрод и межслойную изоляцию над затворным электродом в едином фотолитографическом процессе плазмохимическим слабовыраженным анизотропным травлением с отношением вертикальной к горизонтальной составляющей скоростей травления как (3÷5)/1. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий формирование полупроводниковой подложки первого типа проводимости, затворного электрода, сформированного над подзатворным диэлектриком и отделенного межслойной и боковой изоляцией от металлического электрода истока (эмиттера), канальной области второго типа проводимости и истоковой области первого типа проводимости, сформированных последовательным ионным легированием примесей в окна заданной формы в затворном электроде, металлического электрода истока, отличающийся тем, что создают подзатворный диэлектрик, затворный электрод и межслойную изоляцию над затворным электродом в едином фотолитографическом процессе плазмохимическим слабовыраженным анизотропным травлением с отношением вертикальной к горизонтальной составляющей скоростей травления как (3÷5)/1.

2. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что создают боковую изоляцию на боковых поверхностях затворного электрода и межслойной изоляции первым слоем из нитрида кремния толщиной от 500 до 2000 А и вторым слоем из легированного стекловидного окисла кремния толщиной от 0,5 до 1,2 мкм.

3. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что формируют нанесенную боковую изоляцию анизотропным стравливанием легированного стекловидного окисла кремния до нитрида кремния и изотропным стравливанием нитрида кремния до поверхности полупроводниковых областей истока в затворных окнах.

4. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что внедряют примеси канальных и истоковых областей в полупроводниковую подложку через окна в затворном электроде перед формированием боковой изоляции.

5. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что внедряют примеси канальных и истоковых областей в полупроводниковую подложку через окна в затворном электроде после формирования боковой изоляции.

6. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что часть примеси истоковых областей внедряют в полупроводниковую подложку в окна в затворном электроде перед формированием боковой изоляции, а часть - после формирования боковой изоляции.

7. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что создают контакт металлического истока с истоковыми и канальными областями путем вытравливания полупроводника плазменным способом через отверстия в маске фоторезиста, располагающиеся в середине окон затворного электрода, на глубину, превышающую глубину истоковых областей, а следом травят жидкостным способом окисел кремния для создания контактов к затворному электроду с использованием той же фоторезистивной маски над затворным электродом с последующим ионным легированием примесью того же типа, что и канальные области с концентрацией примесей в 30-100 раз превышающей канальную.

8. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что создают контакт металлического истока с истоковыми и канальными областями путем вытравливания полупроводника плазменным способом через отверстия в маске фоторезиста, располагающиеся в середине окон затворного электрода, на глубину, превышающую глубину истоковых областей с последующим ионным легированием примесью того же типа, что и канальные области с концентрацией примесей, в 30-100 раз превышающей канальную, после чего травят жидкостным способом окисел кремния для создания контактов к затворному электроду с использованием той же фоторезистивной маски над затворным электродом.

9. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что создают в качестве второго слоя под подложкой первого типа проводимости слой второго типа проводимости.

10. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что создают в качестве второго слоя под подложкой первого типа проводимости слой из чередующихся областей первого и второго типа проводимости, прилегающих к вышеуказанной подложке первого типа проводимости.

11. Способ изготовления полупроводникового прибора по п.1, отличающийся тем, что чередующиеся области первого и второго типа проводимости, прилегающие к подложке первого типа проводимости, создаются до или после изготовления полупроводникового прибора.