СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСОВМЕЩЕННОГО ПЛАНАРНОГО ДВУХЗАТВОРНОГО МОП-ТРАНЗИСТОРА НА КНИ ПОДЛОЖКЕ

Изобретение относится к технологии производства ИС на подложках типа - кремний на изоляторе (КНИ) и может быть использовано для создания транзисторых структур с предельно минимальными размерами для УБИС.

Известен способ изготовления планарных двухзатворных МОП-транзисторов на КНИ-структурах, описанный в патентах [1, 2]. Способ имеет следующую особенность. На КНИ-подложке формируются рабочие и изолирующие области. Создаются углубления в скрытом окисле по обе стороны от центра полупроводникового островка (затвора), затем вытравливается туннель в окисле под будущим затвором. Создается изоляция открытых поверхностей кремния (подзатворный диэлектрик) и осаждается слой поликремния, который заполняет туннель под кремнием и над ним. Основными недостатками способа является то, что невозможно точно совместить верхний и нижний электрод затвора.

В патентах [3, 4, 5, 6] для самосовмещения затворных электродов используется ионное легирование. При этом происходит изменение электрофизических свойств кремния в канале, которое невозможно восстановить за счет последующего отжига.

За прототип нами принят патент [7] США №6482877, в котором описывается способ создания МОП-транзистора на КНИ-подложке, заключающийся в следующем. На поверхности подложки формируется вспомогательный слой окисла, с помощью фотолитографических методов создаются затворные области. Проводится легирование ионами азота скрытого SiO₂ через вспомогательный окисел и рабочий слой кремния, при этом под пленкой кремния в окисле создается слой оксинитрида, который удаляется жидкостным травлением, образуется туннель в скрытом окисле под верхним слоем кремния. Проводится подзатворное окисление верхней и нижней открытой поверхности кремния, этим создается изоляция верхнего и нижнего затворных электродов. На поверхность кремния осаждается легированный поликремний таким образом, чтобы заполнился туннель в скрытом окисле, при этом формируется верхний и нижний электрод затвора. Литографическими методами создаются сток-истоковые области и формируется металлизация. Основным недостатком способа является изменение свойств верхнего слоя кремния, связанное с легированием большой дозой азота.

Целью изобретения является создание транзисторной структуры с предельными для кремниевой технологии размерами длины канала до 10 нм.

Предложенная нами конструкция позволяет исключить короткоканальные эффекты, которые влияют на работу традиционного МОП-транзистора, начиная с длины канала менее 1 мкм. Преимущества планарного двухзатворного транзистора обуславливаются в основном геометрией расположения его элементов. Основной особенностью изготовления является возможность точного совмещения верхнего и нижнего затворного электрода и затвора относительно сток-истоковых областей.

На КНИ-пластине, содержащей верхний слой кремния толщиной 10-200 нм и скрытый слой окисла 100-400 нм, формируются изолирующие области (LOCOS или STI) и рабочие мезаобласти. Затем осаждается опорный (вспомогательный) слой, который служит маской при ионной имплантации и травлении. В опорном слое вскрываются окна к затворным областям, формируется нитридный спейсер, проводится ионное легирование фтором скрытого окисла (чертеж а). Селективным травлением удаляется модифицированная часть окисла под кремнием, за счет этого образуется туннель в скрытом окисле (чертеж б). Создается подзатворный диэлектрик путем окисления кремниевого слоя с двух сторон. Затем окно в опорном слое и туннель заполняются проводящим материалом - формируется электрод затвора (чертеж в). После стравливания опорного слоя, используя затвор в качестве маски, проводится ионная имплантация сток-истоковых областей (чертеж в) На заключительном этапе осаждается изоляционный слой, вскрываются контактные окна и формируется металлизация (чертеж г).

В качестве основного способа совмещения верхнего и нижнего электрода затвора нами предложено использование ионной имплантации фтором скрытого окисла через рабочий слой кремния. При этом граница модифицированного фтором окисла совпадает с границей опорного окисла. При дальнейшем селективном удалении модифицированного окисла и заполнении полостей материалом затвора, указанные выше границы обуславливают совмещение нижнего и верхнего электродов затвора. При термическом окислении верхней и нижней поверхности кремния атомы фтора, попавшие в рабочий слой кремния в процессе ионной имплантации сегрегируют к границам раздела кремний - затворный окисел. При проведении нескольких последовательных процессов термического окисления и жидкостного травления выращенного окисла можно добиться почти полного удаления атомов фтора из кремния. В то же время присутствие небольшого количества фтора в подзатворном диэлектрике приводит к улучшению рабочих характеристик транзисторов [9]. При заполнении материалом затвора туннеля и верхней части затворной области, основным требованием является конформность осаждения и возможность планаризации рельефа (материал затвора должен заполнять туннель и окно в опорном слое). В процессе планаризации материал затвора удаляется с открытых поверхностей и остается только в окнах опорного слоя. После селективного удаления опорного слоя относительно материала затвора, используя затвор в качестве маски, проводится легирование сток-истоковых областей, этим достигается совмещение стоков и истоков относительно затвора.

При формировании туннеля под рабочим слоем кремния используется эффект селективного травления фторированного слоя окисла относительно нелегированного окисла. Было замечено, что при легировании окисла кремния с фоторезистивной маской ионами F₂ ⁺, участки окисла не защищенные фоторезистом травятся быстрее. В результате исследований установлено, что фторированные слои окисла в разбавленных растворах плавиковой кислоты травятся в несколько раз быстрее пленок окисла кремния, не содержащего фтор. Экспериментально были получены зависимости селективности травления от дозы легирования, температуры и времени отжига, а также от концентрации раствора плавиковой кислоты. Была определена оптимальная величина дозы легирования, которая с одной стороны должна обеспечивать селективность травления, с другой стороны не вносить повреждений в рабочий слой кремния.

На чертеже (а, б, в, г) изображены этапы формирования транзистора на КНИ-структурах.

На чертеже а. На кремниевую подложку, содержащую скрытый окисел (1), и верхний слой кремния (2) осаждается опорный слой (3), в котором методами фотолитографии создается окно (4) к затворным областям, на стенках которого формируется нитридный спейсер (5). Проводится ионное легирование фтором скрытого окисла (6) через верхний слой кремния.

На чертеже б. Жидкостное селективное травление фторированного слоя (6) относительно нелегированного (1). Формируется полость под пленкой кремния (7).

На чертеже в. Методами термического окисления формируется изоляция (подзатворный диэлектрик) (8) верхнего и нижнего электрода затвора. Осаждается поликремний (9) при этом заполняется полость под кремнием (7) и окно (4) в опорном слое. Проводится планаризация поликремния (селективное травление поликремния (9) относительно опорного слоя (3)) до вскрытия опорного окисла, затем селективное удаление опорного окисла (3) относительно материала затвора (9). Ионное легирование (10) сток-истоковых областей.

На чертеже г. Осаждение изолирующего окисла (12). Отжиг сток-истоковые областей (11). Затем стандартными способами вскрываются контактные окна к затворным и сток-истоковым областям и формируется металлизация.

Пример изготовления МОП-транзистора (для проектных норм 0.5 мкм).

Исходные подложки КНИ - толщина рабочего слоя кремния составляла 0,15 мкм, толщина скрытого окисла 0.4 мкм.

1. Формирование изоляции.

2. Термическое окисление Si на толщину 10 нм.

3. Осаждение нитрида кремния 100 нм.

4. Осаждение опорного (вспомогательного) слоя, состоящего из пленки SiO₂ толщиной 800 нм.

5. Вскрытие окон к затворным областям.

6. Формирование нитридного спейсера толщина 100 нм.

7. Ионное легирование фтором скрытого окисла. При этом энергия ионов фтора составляла 60 кэВ, доза 20 мкК.

8. Травление туннеля в скрытом окисле.

9. Термическое окисление кремния на толщину 18 нм.

10. Конформное осаждение поликремния 0,8 мкм.

11. Планаризация поликремния до вскрытия опорного окисла

12. Удаление опорного слоя.

13. Ионная имплантация сток-истоковых областей.

14. Осаждение изоляционного слоя окисла.

15. Формирование металлизации.

Предложенный способ формирования двухзатворного транзистора более просто реализуется с уменьшением топологических размеров элементов. При масштабировании технология изготовления не усложняется и возможна реализация оптимальной конструкции двухзатворного транзистора с предельными значениями длины канала (вплоть до величины равной 10 нм).

Таким образом, нами была разработана конструкция и способ изготовления самосовмещенных планарных двухзатворных транзисторов, которые дают возможность формировать перспективные нанотранзисторные структуры с предельной для кремния длиной канала.

Источники информации

1. H.-S.P.Wong, "Beyond the conventional transistor" IBM J.RES. & DEV. VOL. 46 NO. 2/3 MARCH/MAY 2002.

2. Патент США №5120666.

3. Патент США №5308999.

4. Патент США №6074920.

5. Патент США №5736435.

6. Патент США №6391752.

7. Патент США №6346446 (прототип).

8. Патент США №5482877.

9. Hook T.B, Adler E, "The Effects of Fluorine on Parametrics and Reliability in a 0,18 mk 3,5/6,8 nm Dual gate oxide CMOS Technology" IEEE Transaction on Electron Devices, vol.48, No.7, July 2001.