Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСОВМЕЩЕННОГО БиКМОП ПРИБОРА

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления ИМС высокой степени интеграции на БиКМОП структурах с использованием методов самосовмещенной технологии (ССТ). По предлагаемой технологии могут отдельно формироваться n-МОП, p-МОП, КМОП и биполярные структуры.

Способы самосовмещения впервые были использованы в технологии изготовления ИМС на полевых транзисторах /1, 2/ и позже в биполярных структурах /3, 4/. Способы самосовмещенной технологии позволили без рассовмещения совместить активную и пассивную базовую области с эмиттером, истоковую-стоковую области с затвором, уменьшить расстояния между областями до субмикронных размеров, что способствовало уменьшению размеров биполярных и МОП структур и улучшению качества электрических параметров ИМС.

В патенте США №5422229 /5/ затворные области комплементарных полевых и эмиттерные области биполярных транзисторов совмещаются с использованием дополнительного слоя поликремния, через который вскрываются эмиттерные окна биполярных транзисторов. После чего осаждается второй слой поликремния и фотолитографией формируются затворные области из дополнительного и второго поликремния и эмиттерные области из второго поликремния. Недостатком этого способа совмещения является, то что необходимы допуски на рассовмещение при формировании эмиттера из второго поликремния, т.е. размер поликремниевого эмиттера должен быть больше размера окна вскрытого в диэлектрике. В способе изготовления самомасштабируемого полевого транзистора со структурой суперсамосовмещенного биполярного транзистора, пат. RU №2230392 /6/, в способе изготовления транзистора, пат. RU №2110868 /7/, самосовмещение активной и пассивной базовых областей с эмиттером, истоковой-стоковой областей с затвором достигается использованием трех слоев поликремния. Данные способы обеспечивают существенное увеличение интеграции ИМС, однако содержат и ряд недостатков: 1) травление поликремния в месте формирования окон под эмиттер и подзатворные области до кремния производится плазмохимическим травлением, не обладающим селективностью к кремнию. Для надежного удаления поликремния приходится затравливаться в кремний, что делает неопределенным расположение границы травления, а значит и расположение мелкозалегающих переходов транзисторов, а также вносит нарушение в структурное совершенство поверхности кремния, что приводит, в целом, к снижению качества и процента выхода годных транзисторов; 2) формируется маска фоторезиста таким образом, что границы эмиттерных и подзатворных окон в фоторезисте располагаются не ближе одной погрешности совмещения на фотохемографии от каждой боковой стенки вертикальных стенок диэлектрика, т.е. отсутствует обсолютное совмещение.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является способ изготовления автомасштабируемого биполярного транзистора, пат. RU №2234162 /8/. В этом способе по сравнению с ранее известными способами первый слои поликремния осаждаются на диэлектрик, что дает возможность не затравливаться в кремний при его плазмохимическом травлении, а самосовмещение активной и пассивной базовых областей с эмиттером, истоковой-стоковой областей с затвором достигается подравливанием диэлектрика под первым слоем поликремния, осаждением второго слоя поликремния заполняется вытравленное пространство между первым слоем поликремния и кремнием и диффузией примеси из первого слоя поликремния через второй слой поликремния формируется пассивные базовые, истоковые-стоковые области, а разделительный диэлектрик на боковых стенках формируется прокислением второго слоя поликремния.

Недостатком вышеуказанных способов изготовления является отсутствие полного самосовмещения всех элементов структуры, включая изолирующие области. При вскрытии окон в первом диэлектрическом слое, при вскрытии окон в первом слое поликремния под эмиттер и контакт к коллектору и при формировании контактов к областям необходимо давать допуски на рассовмещение, что увеличивает площадь, занимаемую транзисторными структурами.

Цель изобретения - повышение плотности компановки транзисторных структур за счет самосовмещения областей транзисторных структур вместе с изолирующими областями. Полностью самосовмещенная технология позволяет также повышать воспроизводимость параметров приборов.

Суть изобретения состоит в том, что окна под все области биполярных и МОП транзисторов, а также изолирующих областей вскрывают одновременно в третьем, во втором диэлектрических слоях и первом слое поликристакллического кремния до первого диэлектрического слоя. Локально удаляют первый диэлектрический слой в окнах под изолирующие области и формируют на вертикальных стенках разделительный диэлектрик третьим диэлектрическим слоем При этом 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 активную базовую, затворную области и коллекторные контакты, полное заполнение вторым диэлектриком окон транзисторных структур, которое позволяет осуществлять формирование изолирующих областей без рассовмещения с другими областями транзисторных структур, разделительный диэлектрик из третьего диэлектрического слоя, защищающий первый, второй диэлектрические слои и первый слой поликристаллического кремния в окнах под изолирующие области и контакты к коллекторам, а в окнах под активные базовые и затворные области этот разделительный диэлектрик, защищающий второй диэлектрический слой и первый слой поликристаллического кремния, позволяет только в этих окнах проводить травление первого диэлектрического слоя под первым слоем поликристаллического кремния, что дает возможность совместить пассивную, активную базовые, эмиттерную, затворные, стоковые и истоковые области. Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу - обсолютное совмещение как самих элементов транзисторных структур, так же их с изолирующими областями. При этом важнейшим преимуществом способа является возможность самомасштабировантия элементов транзисторных структур до значений, существенно меньших величины минимальных фотохемографических размеров.

На фиг.1-6 представлены основные этапы изготовления самосовмещенной БиКМОП структуры.

На фиг.1 представлен разрез структуры, БиКМОП прибора, где в полупроводниковой подложке 1 сформирован скрытый слой 2, на котором эпитаксией сформирован эпитаксиальный слой 3, в этом слое сформированы карманы n- и p-типов проводимости, на эпитаксиальном слое сформирован первый диэлектрик 4 и первый слой поликристаллического кремния 5, в который над карманами p-типа ионным легированием фосфора введена донорная примесь, а над карманами n-типа ионным легированием бора введена акцепторная примесь.

В предлагаемом способе принципиально изменен порядок изготовления областей транзисторных структур. Вместо традиционной последовательности в известных способах: - формирование скрытых слоев и изолирующих областей с минимальным размером, определяемым фотохемографией; - формирование базовых и эмиттерных областей с минимальным размером, определяемым фотохемографией; - формирование поликремниевых электродов к эмиттерам, затворов и коллекторам с минимальным размером, определяемым фотохемографией; - создание разделительного диэлектрика на боковых стенках поликремниевых электродов; - формирование областей стока, истока и электродов к ним и базовой области, и металлизации, где самосовмещенными элементами были затвор, электроды к эмиттеру и коллектору, а размеры областей и контактов к ним определяются наряду с минимальным размером фотохемографии и величиной погрешностей совмещения, а в предлагаемом способе следующая последовательность: - формирование сплошных скрытых слоев; - одновременное формирование окон в слоях под все элементы транзисторных структур включая изолирующие области; - формирование боковых разделительных диэлектриков в окнах, при этом все окна, за исключением окон под изолирующие области, заполняются диэлектриком; - под защитой заполненного диэлектрика травятся канавки под изолирующие области, формируются изолирующие области и после удаления диэлектрика в окнах последние заполняются поликремнием, из которого формируются эмиттер, контакт к коллектору и их электроды, и затворные области МОП транзисторов. Способ принципиально позволяет опережать возможности фотохемографии по получению субмикронных размеров.

На фиг.2 представлен разрез структуры БиКМОП прибора, в которой на первом слое поликристаллического кремния 5 сформирован второй диэлектрик 6 и третий диэлектрик 7. В слое 5 и диэлектриках 6 и 7 сформированы окна под изолирующие области 8, под контакты коллекторных областей 10, 11, подзатворные области 12, 13, под активные базовые области 14, 15, в которых в последующем будут сформированы эмиттерные области, в окнах изолирующих областей и окнах под контакты коллекторных областей удален диэлектрик 4, сформированный под первым слоем поликристаллического кремния 5, на вертикальных стенках окон сформирован третий разделительный диэлектрик 16, в окнах подзатворных 12, 13 и активных базовых 14, 15 областях удален диэлектрик 4 и осуществлен его подтрав 9. При этом размер вскрываемых окон под изолирующие области равняется полуторному линейному фотохемогоафическому размеру вскрываемых окон под активную базовую, затворную области и коллекторный контакт.

На фиг.3 представлен разрез структуры БиКМОП прибора, в которой сформирован второй слой поликристаллического кремния 17, равный не менее удвоенной толщины первого диэлектрического слоя, заполняющий подтравы 9 под первым слоем поликристаллического кремния 5. Выбранная толщина второго слоя поликристаллического кремния обеспечивает надежный контакт к базовой области через первый слой поликристаллического кремния. Прокислением второго слоя поликристаллического кремния 17 сформирован на вертикальных стенках окон разделительный диэлектрик 19 и сформирован на вертикальных стенках окон под изолирующие области второй разделительный диэлектрик 18, а окна затворных, активных базовых и контакты к коллекторным областям заполняются этим диэлектриком 18. При этом толщина второго разделительного диэлектрика составляет половину линейного фотохемографического размера вскрываемых окон под затворные, активные базовые и контакты к коллекторным областям, а линейный размер вскрываемых окон под изолирующие области составляет полтора фотохемографического линейного размера вскрываемых окон под затворные, активные базовые и контакты к коллекторным областям. Такое соотношение толщины разделительного диэлектрика позволяет полностью заполнить этим диэлектрикам окна под затворные, активные базовые и контакты к коллекторным областям, а в разделительных областях частично, что позволяет осуществлять травление канавок под изолирующие области, сохраняя самосовмещение всех вскрытых областей.

На фиг.4 представлен разрез структуры БиКМОП прибора, в которой сформированы канавки в эпитаксиальном 3, скрытом 2 слоях и частично в подложке 1, на дне канавки сформирована противоканальная область 25 одного типа проводимости с подложкой, а на вертикальных стенках канавки сформирован диэлектрик 27, вытравленные канавки заполняются поликремнием 26, после чего он планаризуется до третьего диэлектрика, с затворных, базовых областей и коллекторных контактов удален диэлектрик 18, на боковых стенках этих окон сформирован разделительный диэлектрик 18а из второго диэлектрического слоя, сформирован подзатворный диэлектрик 20, локальным ионным легированием введены примеси противоположного типа проводимости карманов в активные базовые области 21 и 23 и одного типа проводимости с карманами в контакты коллекторных областей 22 и 24 биполярных транзисторов, локально удален диэлектрик с активных базовых и контактов коллекторных областей.

На фиг.5 представлен разрез структуры БиКМОП прибора, в которой третьим слоем поликристаллического кремния 26а заполнены затворные, базовые области и контакты к коллекторным областям. При этом толщина третьего слоя поликристаллического кремния должна быть больше половины линейного размера вскрываемых окон под изолирующие области, что обеспечивает планарное заполнение окон.

На фиг.6 представлен разрез структуры БиКМОП прибора, в которой спланаризован третий слой поликристаллического кремния до третьего диэлектрика и локально залегированы поликремниевые контакты, сформированные из третьего слоя поликристаллического кремния, примесью первого типа проводимости: поликремниевый затвор 45, эмиттерный поликремниевый контакт 46, поликремниевый контакт 37 коллекторной области, примесью второго типа проводимости проводимости: поликремниевый затвор 44, эмиттерный поликремниевый контакт 47, поликремниевый контакт 48 коллекторной области, термическим отжигом сформированы истоки 28, 30, стоки 29, 31 полевых транзисторов и пассивные 32, 40, активные 34, 38 базовые области, эмиттерные области 33, 41, контакты коллекторных областей 35, 39 биполярных транзисторов. Удален третий и второй диэлектрические слои и сформирована металлизированная разводка структур полицидом тугоплавких металлов 43 на поликремниевых электродах третьего слоя поликристаллического кремния и 42 на первом слое поликристаллического кремния.

Как следует из рассмотрения предлагаемого технического решения, в способе изготовления самосовмещенного БиКМОП прибора применено полное самосовмещение одновременно всех элементов транзисторных структур, включая изолирующие области, позволяющие получить максимальный выигрыш по снижению площади транзистора, а значит и по его параметрам, и по проценту выхода годных транзисторов, а значит и микросхем на их основе.

При этом важнейшим преимуществом технического решения предлагаемого способа является автомасштабирование (уменьшение) длины затвора, эмиттера, изолирующих областей и контактов к коллекторным областям до значений, меньших величины минимального размера на фотохемографии, чем предоставляется возможность осуществлять самосовмещение транзисторных структур с существенным улучшением параметров транзисторов.

Пример. В монокристаллической подложке 1 p-типа проводимости КДБ-12 (100) формировали сплошной скрытый слой 2 диффузией сурьмы из твердого источника при 1200°С с поверхностным сопротивлением (30-35)Ом, толщиной (2,5-3) мкм. Наращивали эпитаксиальный слой 3 n-типа проводимости толщиной (2-2,5) мкм и омностью 4,5 Ом·см, создавали в эпитаксиальном слое карманы p-типа проводимости имплантацией бора с энергией (Е) 100 кэВ и дозой (D) 2 мкКул/см² с последующей разгонкой при Т=1050°С в течение 70 мин. На эпитаксиальном слое термическим окислением в трихлорэтилене с кислородом при Т=1073К формировали диоксид кремния 4 толщиной 0,01 мкм, осаждали первый слой поликристаллического кремния 5 толщиной 0,4 мкм пиролизом моносилана при Т=620°С и Р=40 Па. Локально имплантировали фосфор с Е=30 кэВ и D=600 мкКл/см² слой в 5 над карманами p-типа n-МОП и биполярного транзисторов, и бор с Е=30 кэВ и D=1200 мкКл/см² над карманами n-типа p-МОП и биполярного транзисторов. Осаждали диоксид кремния 6 пиролизом ТЭОСа при Т=720°С и Р=80 Па толщиной 0,4 мкм и нитрид кремния 7 аммонолизом дихлорсилана при Т=800°С и Р=15 Па толщиной 0,12 мкм. Плазмохимическим травлением (ПХТ) формировали окна в слоях нитрида кремния, диоксида кремния в CHF₃-CF₄-Ar при Р=65 Па и мощности ВЧ разряда (350-380) Вт, поликремния в SF₆-O₂ при Р=(2-3) Па и мощности ВЧ разряда 100 Вт) под изолирующие 8, активные базовые14, 15, затворные 12, 13 области и контакты к коллекторным областям 10,11 над будущими областями затворов, эмиттеров и контактов к коллекторам. Удаляли диоксид кремния, расположенный на эпитаксиальном слое, в окнах 8 под изолирующие области и в окнах контактов к коллекторным областям 10, 11, осаждали нитрид кремния 16 толщиной 0,02 мкм, реакционно-ионным травлением (РИТ) удаляли со дна окон нитрид кремния, а также диоксид кремния со дна окон 12, 13 под затворные области МОП транзисторов и под активные базовые области 14, 15 биполярных транзисторов и осуществляли подтравливание диоксида кремния 4, расположенного под первым слоем поликристаллического кремния, в окнах 12, 13, 14, 15 в растворе HF:H₂O=(1:4) в течение 7 мин. При этом глубина подтравливания диоксида кремния (подныров) составляла 0,4 мкм. Пиролизом моносилана осаждали второй слой поликристаллического кремния 17 толщиной 0,02 мкм, при этом пространство между первым слоем поликристаллического кремния и эпитаксиальным слоем заполняли вторым слоем поликристаллического кремния, осуществляли его прокисление в парах воды при Р=5 атм и Т=800°С в течение 10 мин. РИТ удаляли образовавшийся диоксид кремния со дна окон и осаждали пиролизный диоксид кремния толщиной в половину линейного фотохемографического размера окон 10, 11, 12, 13, 14, 15, при этом окна 10, 11, 12, 13, 14, 15 полностью заполняли диоксидом кремния 18, а окна 8 - частично. РИТ планаризовали пиролизный диоксид кремния до диэлектрика 7, при этом со дна окон под изолирующие области удаляли осажденный диоксид кремния, а на боковых стенках этих окон формировали разделительный диэлектрик 18. Плазмохимическим травлением в SF₆+CF₃J при Р=4 Па травили кремний на глубину, равную толщине эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложку на глубину ОПЗ (формировали разделительные U-образные канавки), в канавках формировали пиролизный диоксид кремния из ТЭОСа толщиной 0,05 мкм, на дне щелей имплантацией бора с Е=60 кэВ и D=6 мкКул/см² формировали противоканальные области 25. Заполняли вытравленные канавки осаждением слоя поликристаллического кремния 26 с последующей его планаризацией до уровня третьего диэлектрического слоя. Травили пиролизный диоксид кремния и диоксид кремния, полученный прокислением второго слоя поликристаллического кремния в затворных, активных базовых и контактных областях к коллекторам, в этих окнах формировали спейсер 18а из пиролизного диоксида кремния толщиной 0,15 мкм, проводили локальное ионное легирование коллекторного контакта 22 примесью бора с Е=50 кэВ и Д=600 мкКл/см² и примесью фосфора коллекторного контакта 24 с Е=50 кэВ и Д=600 мкКл/см². Формировали подзатворный диоксид кремния, термическим окислением в трихлорэтилене с кислородом при Т=1073К толщиной 0.01 мкм, проводили локальное ионное легирование активной базовой области n-p-n транзистора BF₂ с Е=20 кэВ и Д=40 мкКл/см², активной базовой области p-n-p транзистора As с Е=30 кэВ и Д=60 мкКл/см², осаждали третий слой поликристаллического кремния 26а толщиной больше половины линейного фотохемографического размера окон 10, 11, 12, 13, 14, 15. РИТ планаризовали третий слой поликристаллического кремния до второго диэлектрика, проводили локальное ионное легирование примесью бора с Е=50кэВ и Д=600 мкКл/см² поликремниевых электродов: коллекторного 37, затворного 45, эмиттерного 46 и примесью мышьяка с Е=60 кэВ и Д=1200 мкКл/см² поликремниевых электродов: коллекторного 48, затворного 44 и эмиттерного 47. Формировали области структур термическим отжигом при Т=1223К, 40 мин в потоке азота, удаляли первый и второй диэлектрические слои и формировали металлизированную разводку структур локальным осаждением вольфрама при Р=37 Па, и Т=573К из WF₆+H₂, толщиной 0,045 мкм с последующим термическим отжигом 1073 К в течение 30 мин.

Предлагаемая конструкция может использоваться для формирования только КМОП, n-МОП, p-МОП и биполярных транзисторов, БиКМОП с любым набором полевых или биполярных транзисторов, не выходя за пределы патентных притязаний.

Источники информации

1. Технология СБИС. Под ред. С.Зи. Книга 2. Москва, «Мир», 1986, с.220-223.

2. К.А.Валиев и др. Цифровые интегральные схемы на МДП-транзисторах. Из-во «Советское радио», 1971, с.302-305.

3. Лукасевич М.И. и др. Методы совершенствования транзисторной структуры. Электронная промышленность, 1993, с.39-44.

4. Gigabit Logic Biholar Technology advanced super self-aligned process technology. Electronics Letters, 14 the April, v.19, N8, 1983.

5. Патент USA №5422229, H 01 L 21/265, 1995.

6. Пат. RU №2230392, H 01 L 21/331, 2001, БИ №24, 2003.

7. Пат. RU №2110868, H 01 L 21/331, 1999, БИ №12, 2002.

8. Пат. RU №2234162, H 01 L 21/331, 2002, БИ №12, 2004 - прототип.