СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСХЕМ Советский патент 1994 года по МПК H01L21/26 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, в частности к производству кремниевых интегральных схем с диэлектрически изолированными n-p-n и p-n-p структурами.

Известны способы изготовления интегральных схем с высококачественными n-p-n и p-n-p структурами, заключающиеся в том, что на исходной монокристаллической пластине кремния n-типа проводимости с помощью локального маскирования окислом и анизотропного травления создаются углубления, наращивается слой кремния p-типа, при этом в углублениях наращивается монокристаллический кремний, а на поверхности, маскируемый окислом, - поликристаллический. Выращенный поликри- сталлический слой кремния удаляется до поверхности маскирующей пленки, раздельно формируются локальные высоколегированные n- и p-типа слои, создается диэлектрическая изоляция монокристаллических областей кремния и формируются соответствующие рабочие структуры.

Однако эти способы изготовления интегральных микросхем требуют проведения трудоемких и сложных технологических операций, таких, как травление, эпитаксиальное наращивание, прецизионное удаление кремния, выступающего над поверхностью маскирующей пленки, создание скрытой высоколегированной области р-типа. Особенности технологического процесса эпитаксии приводят к отклонению величины концентрации примесей p-типа проводимости от номинального значения. Пониженная концентрация приводит к возрастанию сопротивления p-области, а повышенная - к снижению пробивных напряжений формируемых p-n переходов рабочих структуру, что снижает выход годных.

Наиболее близким к данному способу является способ изготовления интегральных микросхем, включающий создание областей p-типа в кремниевой подложке n-типа проводимости, диэлектрическую изоляцию этих областей, контроль качества полученных областей с диэлектрической изоляцией для определения областей с повышенной концентрацией примеси p-типа проводимости и формирование в диэлектрически изолированных областях рабочих структур.

Однако указанный способ обладает тем недостатком, что диэлектрически изолированные области из-за неточностей изготовления получаются разной толщины, что приводит к разбросу концентрации примеси p-типа как на поверхности диэлектрически изолированной области, так и в ее глубине. Поэтому после создания диэлектрической изоляции проводят контроль концентрации примеси р-типа. Если концентрация примеси р-типа в диэлектрически изолированной области меньше заданной, то, уменьшая толщину этой области, повышают концентрацию примеси до заданной величины. Если концентрация примеси в областях р-типа выше заданной, то пластина уходит в брак, что уменьшает выход годных.

Целью изобретения является повышение выхода годных.

Цель достигается тем, что в способе изготовления микросхем, включающем создание областей р-типа в кремниевой подложке n-типа проводимости, диэлектрическую изоляцию этих областей, контроль качества полученных областей с диэлектрический изоляцией для определения областей с повышенной концентрацией примеси р-типа проводимости и формирование в диэлектрически изолированных областях рабочих структур, области с повышенной концентрацией примеси р-типа проводимости перед формированием в них рабочих структур подвергают облучению тепловыми нейтронами в течение времени t, определяемого по формуле
≅ t ≅ , где N_A^макс, N_D^макс - максимально допустимые концентрации акцепторов и доноров, определяемые из требуемых значений электрофизических параметров полупроводниковых структур, создаваемых в областях подложки р- и n-типа проводимости;
N_D - концентрация доноров в исходной подложке;
N_A - поверхностная концентрация акцепторов перед облучением;
С_о - концентрация изотопа Si³⁰ в кремнии;
Φ - поток тепловых нейтронов;
σ - сечение захвата нейтрона изотопом Si³⁰.

В результате этого облучения часть атомов кремния вследствие ядерной реакции переходит в атомы фосфора, что способствует уменьшению концентрации электрически активной концентрации примеси р-типа и изменению профиля ее распределения.

Выбирая заранее начальную концентрацию доноров в исходной пластине n-типа проводимости с запасом по сравнению с максимально допустимой, предлагаемым способом легко реставрировать те области р-типа проводимости с диэлектрической изоляцией, в которых концентрация примеси р-типа проводимости завышена. Оптимальное снижение концентрации активной примеси р-типа до нужного значения получается путем выбора времени облучения по предлагаемой формуле.

Если время облучения нейтронами меньше расчетного, то часть дефектных р-областей не станет годными, что не позволит получить наибольший возможный выход годных.

При времени облучения, большем расчетного, возможно появление дефектных по концентрации областей n-типа проводимости, что также снизит выход годных.

Так как облучение тепловыми нейтронами проводится до формирования рабочих структур, то отжиг радиационных дефектов совмещается с процессом формирования этих структур.

П р и м е р. Предлагаемым способом получены интегральные схемы с комплементаpными p-n-p и n-p-n транзисторами и с пробивными напряжениями коллектор-базового перехода более 100 В.

На кремниевой подложке с исходной концентрацией примеси n-типа 2,5 х 10¹⁴ см^-3 стандартными методами получают маскирующий термический окисел, фотолитографией - отверстия, затем в полученные отверстия проводят имплантацию ионов бора с дозой 2,2 х 10¹⁴ ион/см² и энергией 90 кэВ, последующей высокотемпературной обработкой создают области р-типа глубиной 34-35 мкм, которые служат коллекторами p-n-p транзисторов.

Диэлектрическую изоляцию получают стандартными методами формирования скрытого n⁺ слоя, травления разделительных канавок глубиной 34 мкм, создания термическим окислением или пиролитическим осаждением изолирующего окисла, эпитаксиального наращивания поликриcталлического кремния, удаления шлифовкой с последующей полировкой подложки n-типа.

Контроль концентрации бора проводится стандартным трехзондовым методом по напряжению пробоя точечного контакта. Пластины с диэлектрически изолированными структурами и поверхностной концентрацией бора менее N_A^макс = 1,6 х 10¹⁵ см^-3 передаются на последующие операции, а пластины с поверхностной концентрацией бора в пределах N_A = 1,6 х 10¹⁵- 3,35 х 10¹⁵ см^-3 подвергают облучению тепловыми нейтронами.

При облучении происходит ядерная реакция
Si³⁰ (n, γ)Si P³¹
Образующийся фосфор, как примесь, создающая n-тип проводимости, частично компенсирует бор в областях р-типа.

Максимальная концентрация вводимого с помощью ядерной реакции фосфора С_р определяется как:
С_р = N_D^макс - N_D, где N_D^макс - максимально допустимая концентрация доноров в коллекторе n-p-n транзистора, определяемая исходя из требуемого значения пробивного напряжения коллектор - базового перехода, при пробивном напряжении коллектор-базового перехода 100 В N_D^макс = 2 ˙ 10¹⁵ см^-3;
N_D - концентрация доноров в исходной подложке n-типа.

Наибольшее значение повышенной поверхностной концентрации электрически активных акцепторов (бора) С_В в диэлектрически изолированных областях р-типа проводимости, которое можно реставрировать с помощью облучения нейтронами, определяется как:
С_В = N_A^макс + С_р где N_А^макс - максимально допустимая поверхностная концентрация акцепторов, определяемая исходя из требуемого значения пробивного напряжения коллектор-базового перехода р-n-p транзистора.

Для снижения повышенной поверхности концентрации акцепторов (бора) N_А в областях р-типа проводимости, находящейся в интервале концентрации от С_В до N_A^макс, до значения максимально допустимой концентрации акцепторов время облучения тепловыми нейтронами рассчи- тывается по формуле
t = t= где С_о- концентрация изотопа Si³⁰ в кремнии
С_о = 1,55 х 10²¹ см^-3;
Φ - поток нейтронов в реакторе, который обычно равен (1-10) ˙ 10 ;
σ - сечение захвата кремнием Si³⁰ нейтрона σ = 0,11 х 10^-24см.

Тогда при наибольшей концентрации акцепторов N_A = С_В = 3,35 х 10¹⁵ см^-3 с N_А = 1,6 х 10¹⁵ см^-3 время облучения t= = = 102639 с для Φ = 10¹⁴.

При концентрациях бора в р-областях, близких к максимально допустимым, например N_A = 1,7 х 10¹⁵ см^-3, время облучения t = = 5865 c.

Если структуры с диэлектрической изоляцией только р-типа, то С_ропределяется как:
С_р = N_А - N^Амакс, где N_А - концентрация акцепторов перед облучением нейтронами.

На чертеже приведено распределение бора (кривая 1) в изолированной области р-типа для случая, когда на глубине 28 мкм N_А = 3,35 х 10¹⁵ см^-3; там же приведены распределения электрически активного бора (кривая 2) с учетом компенсации исходной концентрации n-типа (кривая 3). После облучения в течение t= 102639 сек с Φ= 10¹⁴ концентрация фосфора воз- растает до величины 2 х 10¹⁵ см^-3 (кривая 4), а распределение электрически активной концентрации бора после облучения имеет вид кривой 5 и на глубине 28 мкм снизится до уровня 3 ˙ 10¹⁴ см^-3.

Далее на пластинах с диэлектрически изолированными областями р- и n-типа стандартными методами планарной технологии создают рабочие структуры n-p-n и p-n-p типа. При проведении высокотемпературных операций, в частности, окисления и диффузии введенные радиационные дефекты отжигаются.

Облучение тепловыми нейтронами позволило использовать структуры с диэлектрической изоляцией с уменьшенной толщиной изолированной р-области.

При облучении пластин с участками различной концентрации р-примесей области с необходимыми значениями концентрации р-примесей маскируют кадмиевыми масками, что препятствует протеканию ядерного превращения кремния в фосфор в этих областях.

Следует отметить, что для повышения концентрации примеси р-типа и понижения концентрации примеси n-типа диэлектрически изолированных областей можно также применить ядерную реакцию, протекающую под действием быстрых нейтронов
Si³⁰(n, α)Mg²⁷ Al²⁷
При изготовлении интегральных микросхем предлагаемым способом выход годных возрастает по сравнению с прототипом в 1,2 раза за счет использования структур с диэлекрической изоляцией с повышенной концентрацией примеси р-типа.

Внедрение предлагаемого способа при обработке 1000 пластин с диэлектрической изоляцией с областями n- и p-типа проводимости даст экономический эффект более 400 рублей за счет увеличения выхода годных. (56) Аналоговые интегральные схемы: элементы, схемы, системы и применение. Под ред. Дж. Коннели, "Мир", 1977, с. 37-39.

Патент США N 3818583, кл. 29-578, опублик, 1978.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСХЕМ, включающий создание областей p-типа в кремниевой подложке n-типа проводимости, диэлектрическую изоляцию этих областей, контроль качества полученных областей с диэлектрической изоляцией для определения областей с повышенной концентрацией примеси p-типа проводимости и формирование в диэлектрически изолированных областях рабочих структур, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных, области с повышенной концентрацией примеси p-типа проводимости перед формированием в них рабочих структур подвергают облучению тепловыми нейтронами в течение времени t, определяемого по формуле
≅t≅
где N_Д^макс , N_А^макс - максимально допустимые концентрации доноров и акцепторов, определяемые из требуемых значений электрофизических параметров полупроводниковых структур, создаваемых в областях подложки n и p -типа проводимости;
N_D - концентрация доноров в исходной подложке;
C_о - концентрация изотопа Si³⁰ в кремнии;
ϕ - поток тепловых нейтронов;
σ - сечение захвата нейтрона изотопом Si³⁰;
N_A - поверхностная концентрация акцепторов перед облучением.