Способ изготовления КМОП-структур

Предлагаемое изобретение относится к области микроэлектроники, а именно технологии изготовления КМОП-структур, используемых в преобразовательных и цифровых устройствах. Техническим результатом является формирование единого технологического цикла изготовления элементов управляющей схемы маломощного и мощного высоковольтного силового транзисторов с целью получения интеллектуального силового ключа любой сложности на одном кристалле. Благодаря внесению поправок в базовые операции, возможно совершенствование параметров КМОП-структур и характеристик изготавливаемых интегральных схем на более ранних производственных этапах, что повышает рабочие параметры МОП-транзисторов и надежность, улучшает характеристики интегральных схем и расширяет их функциональные возможности.

Известен способ изготовления интегральных схем на МОП-транзисторах, включающий следующую последовательность операций: формирование в подложке первого типа проводимости областей второго типа проводимости, противоканальных областей, диэлектрической изоляции, затворного диоксида кремния, осаждение слоя поликристаллического кремния, формирование затворных областей n- и р-канальных транзистров, разделительного диоксида кремния на вертикальных стенках затворов, областей стоков и истоков второго типа проводимости в подложке первого типа проводимости, областей стоков, истоков первого типа проводимости в областях второго типа проводимости, изолирующего диоксида кремния осаждением при пониженном давлении из кремнийорганических соединений, вскрытие контактных окон и металлизацию [1]. На фиг. 1 показано поперечное сечение КМОП-структуры, поясняющее способ [1], где 1 - кремниевая подложка КЭФ-4,5 (100), 2 - карман р-типа, 3 - диэлектрическая изоляция, 4 - противоканальные области р-типа, 5 - затворный диоксид кремния, 6 - поликремниевый затвор, 7 - комбинированный разделительный диоксид кремния, включающий термическую очистку пластин в трихлорэтилене и кислороде, осаждение диоксида кремния из тетраэтоксисилана (ТЭОСа) и его термический отжиг в трихлорэтилене и кислороде, 8 - стоки и истоки р-канального транзистора, 9 - стоки и истоки n-канального транзистора, 10 - комбинированный изолирующий диоксид кремния, включающий термическую очистку пластин в трихлорэтилене и кислороде, осаждение диоксида кремния из ТЭОСа и его термический отжиг в трихлорэтилене и кислороде, 11 - алюминиевые контакты к стоковым и истоковым областям n-канального транзистора, 12 - алюминиевые контакты к стоковым и истоковым областям р-канального транзистора.

Недостаток прототипа заключается в формировании р- и n-МОП-транзисторов на общей подложке, что приводит к ограничению функциональных возможностей КМОП-структур, отсутствию возможностей разработки мощных высоковольтных MOSFET ключей со схемой управления, интегрированных на одном кристалле.

Целью изобретения является создание в едином технологическом цикле КМОП-структур, р-МОП транзисторов в изолированном кармане и интегрированных N-MOSFET транзисторов для увеличения рабочих напряжений, расширения функциональных возможностей и увеличения выходной мощности (нагрузочной способности).

Поставленная цель достигается тем, что в базовую КМОП-технологию с самосовмещенным поликремниевым затвором внедрены технология изготовления «карман в кармане» для создания р-МОП-транзисторов с изолированным карманом n-типа и технология вертикального N-MOSFET транзистора, где исходным материалом служат эпитаксиальные структуры типа:

Для достижения указанного технического результата предлагается следующая последовательность изготовления кристалла, включающая следующие операции: первое окисление, плазмохимическое травление SiO₂, «I» фотолитография, травление SiO₂, ионное легирование «р-карман», перераспределение «р-карман», «II» фотолитография, травление SiO₂, ионное легирование «n-карман», перераспределение «n-карман», «III» фотолитография, травление SiO₂, окисление термическое, ионное легирование «Подлегирование», «IV» фотолитография, травление SiO₂, тонкое окисление, нанесение поликремния Si*, «V» фотолитография, травление Si^*, «VI» фотолитография, ионное легирование «Область n⁺⁺», «VII» фотолитография, ионное легирование «Область р⁺⁺», отжиг, формирование SiO₂ (нелегированный), осаждение борофосфоросиликатного стекла, отжиг, «VIII» фотолитография, травление борофосфоросиликатного стекла, напыление металла, «IX» фотолитография, травление металла, осаждение SiO₂, «X» фотолитография, травление SiO₂.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что за основу взят существующий технологический маршрут изготовления n-МОП вертикального транзистора К1337КТ1Т [2], где на поверхности эпитаксиального n-слоя формируют узкие полосы окисла в местах расположения будущих каналов. Затем проводят ионное легирование и перераспределение бора с его заходом под маску окисла. При этом длину канала определяет величина бокового смещения и может быть точно рассчитана. Для увеличения плотности упаковки выполнение технологического процесса ионного легирования фосфором, образующее области истоков n⁺⁺-типа, проводят по раскроенным поликремниевым затворам с самосовмещением. Отличительным признаком прибора, изготовленного по предлагаемой технологии, является протекание тока по каналам нормально к поверхности кристалла. В соответствии с заявленным способом на фиг. 2а показано поперечное сечение КМОП-структуры, а на фиг. 2б - увеличенное изображение фрагмента А, где 13 - n - глубокая разделительная область, 14 - SiO₂ - подзатворный тонкий окисел, 15 - р+-контакт к р-карману, 16 - n+-контакт к n-карману, 17 - исток вертикального n-МОП транзистора, 18 - низколегированный эпитаксиальный слой, 19 - нелегированный SiO₂, 20 - борофосфоросиликатное стекло, 21 - защитный SiO₂, 22 - металлизация.

Проверка предлагаемого способа изготовления КМОП-структуры выполнена при разработке интегральной схемы преобразователя постоянного напряжения, где выбор технологии изготовления высоковольтного вертикального n-МОП-транзистора продиктован требованиями к самой критичной области - каналу, которая определяет все важнейшие параметры ключа: напряжение пробоя не менее 60 В; ток стока не менее 16 мкА/мкм. При формировании горизонтальных n-МОП транзисторов напряжение пробоя стокового перехода должно составлять U_ПР≥15 В, а пороговое напряжение транзистора U_ПОР=0,8…1,2.

Для формирования изолированных р-МОП-транзисторов, изготавливаемой КМОП-структуры, сформирован «n-карман» в «р-кармане» по предлагаемой технологии. Результаты исследований и технологического проектирования показали, что при формировании «р-кармана» с использованием КМОП-технологии дозы ионного легирования бора Д=1,6 мкКл/см² с энергией Е=40 кэВ достаточно для получения напряжения пробоя «р-карман» - «подложка» более U_ПР=60 В и обеспечения достаточной глубины залегания «n-кармана» без диффузионного смыкания с границей «р-кармана».

Для n-МОП-транзисторов режим разгонки примеси бора основан на КМОП-технологии режима разгонки «р-кармана» с поправкой времени для обеспечения необходимой глубины залегания кармана. Уточненное время разгонки составляет 6 ч в инертной среде.

Доза ионного легирования фосфора для формирования «n-кармана» внутри «р-кармана» получена расчетным путем [3, 4]. Основными критериями для расчета в данном случае стали глубина и поверхностная концентрация активной примеси кармана. Моделирование показало, что минимальной дозой фосфора для перелегирования бора в сформированном «р-кармане» является Д=4 мкКл/см², при энергии легирования Е=60 кэВ. Время разгонки в данном случае составляет 3 ч в инертной среде. Глубина залегания «n-кармана» составляет порядка Xj=5,5 мкм, а поверхностная концентрация фосфора составляет порядка N=5е16 см^-3. Глубина, залегания «р-кармана», после формирования и разгонки «n-кармана», составляет Xj=10 мкм, поверхностная концентрация бора составляет N=3е16 см^-3. Напряжение пробоя р-МОП транзистора составляет U_ПР=20…22 В. Пороговое напряжение транзистора - U_ПОР=0,9 В.

Напряжение пробоя сток-исток изготовленного вертикального n-МОП транзистора лежит в предлах U_СИ=110…112 В. Ток стока при напряжении на затворе U_З=12 В и U_СИ=0,4 В составил 30 мкА/мкм. Пороговое напряжение составляет U_ПОР=0,8…0,9 В.

В результате моделирования технологических маршрутов изготовления р- и n- МОП-транзисторов для КМОП технологии «карман в кармане» получены их двумерные структуры, на основе которых исследованы особенности их работы. Полученные данные были использованы при подготовке комплектов фотошаблонов транзисторов и разработке базы моделей МОП-транзисторов, которые включают различные параметры, в том числе для n-ОП-транзистора: пороговое напряжение U_ПОР=0,3…0,4 В, подвижность электронов в канале Un=604 см²/(В⋅с), подвижность дырок в канале Up=330 см²/(B⋅c), L=4,5 мкм, и для р-МОП-транзистора: пороговое напряжение U_ПОР=0,9…1,0 В, подвижность электронов в канале Un=330 см²/(В⋅с), подвижность дырок в канале Up=240 см²/(В⋅с), L=5,5 мкм, толщина подзатворного окисла h=0,45 мкм.

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ изготовления КМОП-структур позволил увеличить входное рабочее напряжение интегральной схемы до 36 В и ток нагрузки до 120 мА, расширить функциональные возможности интегральной схемы сочетанием на одном кристалле двух ШИМ-модуляторов, источника опорного напряжения, системы обратной связи по току, напряжению и мощных силовых вертикальных n-МОП-транзисторов, а также повысить надежность путем подавления тиристорного эффекта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Манжа, Н.М. Способ изготовления интегральных схем на КМОП-транзисторах [Текст] / Н.М. Манжа, М.И. Клычников, Д.Г. Кравченко, Е.А. Кечкова // Патент РФ №2185686 С2, 2002.

2. Разработка базовой технологии создания радиационно-стойкого высоконадежного сверхстабильного аттестуемого стабилитрона [Текст]: отчет о ОКР (заключит.): 91-95 / ОАО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов с ОКБ»; рук. Глухов А.В.; исполн.: Бодров В.В. [и др.]. - Новосибирск, 2011. - 145 с. - № ГР У91737. - Инв. №622.

3. Synopsys Official Site [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.synopsys.com.

4. Глухов, А.В. Моделирование характеристик и параметров КМОП транзисторов на основе TCAD Sentaurus [Текст] / А.В. Глухов, С.В. Калинин, A.C. Черкаев // Росийская научно-техническая конференция. Материалы. Т. 1. Новосибирск, 2011. С. 448-449.