способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом
Классы МПК: | H01L21/335 полевых транзисторов |
Автор(ы): | Смирнов В.К., Кибалов Д.С., Гергель В.А. |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "Агентство маркетинга научных разработок" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-10-09 публикация патента:
20.10.2002 |
Использование: для изготовления полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник. Сущность изобретения: способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом заключается в том, что перед формированием затвора полевого транзистора для увеличения крутизны в N раз и увеличения рабочей частоты в 2N раз кремниевого n-канального полевого транзистора выбирают длину волны волнообразной периодической наноструктуры в N2/2 раз меньшую длины канала формируемого транзистора. Формируют в области канала транзистора волнообразную наноструктуру, образующуюся при бомбардировке поверхности кремния потоком ионов азота, задавая период структуры энергией ионов и углом бомбардировки. Направление потока ионов азота устанавливают вдоль канала полевого транзистора. Наноструктуру возможно формировать как на поверхности монокристаллического кремния, так и на поверхности слоя аморфного кремния. Модифицируют наноструктуру для увеличения ее амплитуды и используют ее в качестве маски для проведения ионной имплантации и формирования периодически легированных областей в области канала транзистора. Удаляют наноструктуру и завершают формирование транзистора при помощи известных технологических операций. Техническим результатом изобретения является формирование полевого транзистора с периодически легированным каналом нелитографическим способом, основанным на процессе само формирования наноструктуры. 6 з.п. ф-лы, 27 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27
Формула изобретения
1. Способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, заключающийся в том, что перед формированием затвора полевого транзистора для увеличения крутизны в N раз и увеличения рабочей частоты в 2N раз кремниевого n-канального полевого транзистора выбирают длину волны волнообразной периодической наноструктуры в N2/2 раз меньшую длины канала формируемого транзистора, распыляют поверхность кремния потоком ионов молекул азота в вакууме до формирования периодической волнообразной наноструктуры при направлении проекции потока ионов на поверхность кремния, параллельном линиям тока носителей заряда в канале формируемого полевого транзистора с выбором энергии ионов азота, угла потока ионов азота по отношению к поверхности кремния, температуры кремния, глубины формирования наноструктуры и высоты наноструктуры на основании выбранного значения длины волны наноструктуры, осуществляют селективное удаление аморфного кремния до насыщения амплитуды периодического рельефа наноструктуры, имплантируют ионы легирующей примеси в кремний, используя наноструктуру с насыщением амплитуды периодического рельефа в качества маски для имплантации, удаляют наноструктуру обратным (взрывным) методом, формируют слой подзатворного оксида кремния, затвор, исток и сток полевого транзистора, производят низкотемпературное осаждение оксида кремния и планаризацию его поверхности, формируют металлические контакты к затвору, истоку и стоку и пассивируют поверхность. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования наноструктуры используют в качестве кремния слой аморфного кремния, осажденный на поверхность кристаллического кремния. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что удаляют аморфный кремний селективно по отношению к нитриду кремния и к кристаллическому кремнию. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования наноструктуры используют в качестве кремния слой аморфного кремния, который осаждают на поверхность слоя оксида кремния, сформированного на поверхности кристаллического кремния. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что удаляют аморфный кремний селективно по отношению к нитриду кремния и к оксиду кремния. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что для удаления аморфного кремния осуществляют реактивное ионное травление. 7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что выбирают толщину слоя аморфного кремния большей суммы глубины формирования наноструктуры, высоты наноструктуры и глубины проникновения ионов азота в аморфный кремний.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к методам изготовления полевых транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник - МОП-транзисторов. Более точно, изобретение относится к способам изготовления МОП-транзисторов, имеющих улучшенные рабочие характеристики. Известно, что этот прибор является основным элементом сверхбольших интегральных схем (СБИС) и представляет собой расположенные в приповерхностной области полупроводника две высоко проводящие (низкоомные) области - сток и исток, разделенные сравнительно высокоомным промежутком - каналом, электрическая проводимость которого управляется изменением напряжения на расположенном над каналом полевом электроде - затворе, электрически отделенном слоем окисла (Патент США 6078082 Field-Effect Transistor Having Multi-Part Channel, 20.06.2000) [1]. Известно, что быстродействие прибора или его максимальная рабочая частота пропорциональна подвижности носителей заряда в канале и рабочему напряжению и обратно пропорциональна квадрату длины канала (С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х книгах, книга 2, пер. с англ., 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984, 456 с., глава 8) [2]. Известно, что предел уменьшения длины каналов транзисторов с целью увеличения их быстродействия определяется разрешающей способностью методов литографии. В настоящее время прогрессивные технологии, использующие продвинутые литографические процессы, обеспечивают длину канала транзисторов порядка 0,1 мкм. Таким образом, быстродействие полевых транзисторов в том числе и прибора, устройство которого раскрыто в [1], ограничено возможностями методов литографии. Идея способа увеличения быстродействия полевых транзисторов за счет повышения подвижности носителей заряда в канале изложена в статье (В.А.Гергель, В.Г.Мокеров. "Об увеличении быстродействия полевых транзисторов за счет профилирования канала" - Доклады Академии Наук, 2000, том 375, 5, с. 609-610) [3] , где предложено с целью преодоления негативного влияния электроразогрева носителей в канале транзистора на его функциональные характеристики сформировать канал транзистора в виде чередующихся нанометровых областей с высокой и низкой проводимостью протяженных поперек линий тока в канале. Электрическое поле в канале такого транзистора будет осциллировать в меру отношения проводимостей соседствующих областей, а следовательно, и скорость дрейфа носителей вместе с величиной специфического физического параметра - длины разогрева (остывания) носителей, представляющей собой произведение времени энергетической релаксации на дрейфовую скорость, тоже будет осциллировать. При должном выборе значений соотношения концентраций носителей и характерного размера нанообластей, составляющих канал, обеспечиваются условия, когда электроны не слишком сильно "нагреваются", дрейфуя в высокоомных областях, и почти полностью отдают приобретенную тепловую энергию (охлаждаются) в низкоомных областях. Тем самым на протяжении всей длины канала с нанообластями легирования в среднем сохраняется сравнительно низкая электронная температура, а следовательно, и высокая, близкая к низко полевым значениям подвижность электронов. Однако идея формирования канала с легированными нанообластями согласно [3] не раскрыта с полнотой, достаточной для ее осуществления. Отмечено лишь, что указанное формирование может быть реализовано при помощи методов само формирования наноструктур. В [1] предложен транзистор, канал которого составлен из двух частей (низкоомной и высокоомной), протяженных поперек линий тока носителей заряда, для преодоления эффектов разогрева носителей заряда. Периодически легированный канал, как показано ниже авторами настоящего изобретения, обеспечивает более высокие значения подвижности носителей заряда в канале за счет еще более меньшего их разогрева. Перейдем к анализу возможности реализации сформулированной в статье [3] идеи сверхскоростного дрейфа применительно к кремниевым МОП-транзисторам и современным возможностям кремниевой технологии. Ориентируясь на использование эффекта при комнатной температуре Т = То = 3ОО К и измеряя температуру в Вольтах пропорционально ее значению в Кельвинах, при этом То = 0,026 В, используем известную простейшую модель зависимости кинетических коэффициентов от электронной температуры![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/956.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/956.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/964.gif)
где подвижность носителей заряда
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/956.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/956.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/8226.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/8226.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/8226.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-2t.gif)
где Е - электрическое поле в канале транзистора. В этой традиционной ситуации электронная температура T = T0+
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/956.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191058/964.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-3t.gif)
где V - напряжение, приложенное к каналу (между стоком и истоком). Формула (3) выведена в статье (Гергель В.А., Мокеров В.Г., Тимофеев М.В., Федоров Ю. В. "Ультра-квазигидродинамический электронный транспорт в субмикронных полевых МДП и гетеротранзисторах") [5]. Сравнивая джоулев разогрев и терморелаксацию, авторы настоящего изобретения получили важное неравенство, разграничивающее условие обычного и overshoot-режима электронного дрейфа
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-4t.gif)
откуда следует, что современный МОП-транзистор с типичным субмикронным каналом в 0,25 мкм при напряжении стока 1 В уже находится в условиях overshoot-режима. Авторами настоящего изобретения оценена средняя электронная скорость в канале полевого транзистора
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-5t.gif)
Для транзистора с L=0,25 мкм при V=1 B vD почти в три раза превосходит скорость насыщения vS. Воспользовавшись вышеприведенной формулой (5) авторы настоящего изобретения оценили выигрыш, который получается при секционировании канала транзистора введением N низкоомных включений на N высокоомных подобластей. Для этого в (5) вместо V нужно подставить V/N, а вместо L - L/(
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/955.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191063/8776.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/955.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-6t.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-7t.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191444/2191444-8t.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
на фиг. 1 показано поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора;
на фиг. 2 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора в процессе формирования наноструктуры;
на фиг.3 - поперечное сечение наноструктуры;
на фиг. 4 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного кремния;
на фиг. 5 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного кремния и процесс ионной имплантации;
на фиг.6 - поперечное сечение имплантированных областей после проведения процесса удаления наноструктуры;
на фиг. 7 - поперечное сечение имплантированных областей с подзатворным оксидом кремния;
на фиг. 8 - поперечное сечение периодически легированной области формирования n-канального МОП-транзистора;
на фиг.9 - поперечное сечение n-канального МОП-транзистора с периодически легированным каналом;
на фиг. 10 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора с нанесенным слоем аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг. 11 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора в процессе формирования наноструктуры в слое аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.12 - поперечное сечение наноструктуры в слое аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.13 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.14 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния и процесс ионной имплантации;
на фиг.15 - поперечное сечение имплантированных областей после проведения процесса удаления наноструктуры;
на фиг.16 - поперечное сечение имплантированных областей с подзатворным оксидом кремния;
на фиг. 17 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора со слоем аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенным на тонкий слой оксида кремния;
на фиг. 18 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора в процессе формирования наноструктуры в слое аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.19 - поперечное сечение наноструктуры в слое аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.20 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния;
на фиг.21 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния и процесс ионной имплантации;
на фиг.22 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния при помощи реактивного ионного травления;
на фиг.23 - поперечное сечение наноструктуры с частично удаленным слоем аморфного гидрогенизированного кремния и процесс ионной имплантации;
на фиг. 24 - поперечное сечение n-канального МОП-транзистора с периодически легированньм каналом;
на фиг.25 - перспективное изображение периодически легированного канала и областей истока и стока n-канального МОП-транзистора;
на фиг. 26 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора со слоем аморфного гидрогенизированного кремния, нанесенным на тонкий слой оксида кремния и области изолирующего оксида кремния;
на фиг. 27 - поперечное сечение области формирования n-канального МОП-транзистора в процессе формирования наноструктуры в слое аморфного гидрогенизированного кремния на всей поверхности кремниевой пластины. Сущность изобретения поясняется следующим примером. Пример. Приповерхностная область кремниевой пластины р-типа проводимости 1 с областями оксида кремния 2 и маской из нитрида кремния 3, показанная на фиг.1, облучается потоком ионов молекулярного азота 4. В результате получается волнообразная наноструктура 6, показанная на фиг.2. Области 2 и 3 частично распыляются потоком 4 и превращаются в области 2А и 3А. При этом первоначальный уровень поверхности кремния 5 понижается за счет процесса ионного распыления, а на боковой поверхности области 2А формируется тонкий слой оксинитрида 7. Сформированная волнообразная наноструктура показана на фиг.3 и состоит из областей нитрида кремния 8 и слоя аморфного кремния 9 с включениями атомов азота и N-N парами. Гребни волн наноструктуры располагаются перпендикулярно направлению потока ионов. Поэтому направление потока ионов выбирают вдоль канала как показано на фиг.2. Вектор потока ионов располагается в плоскости чертежа на фиг. 2 и не имеет составляющей, перпендикулярной к плоскости чертежа. После проведения процесса формирования волнообразной наноструктуры осуществляют процесс частичного удаления слоя аморфного кремния 9. В результате получается структура, показанная на фиг.4. Области нитрида кремния 8 и области аморфного кремния 9А располагаются на поверхности кристаллического кремния 1. Процесс частичного удаления слоя аморфного кремния 9 можно осуществить при жидкостном травлении наноструктуры 6 в травителе аморфного кремния, селективном по отношению к кристаллическому кремнию и к нитриду кремния. Периодически повторяющиеся области 8 и 9А представляют собой маску для ионной имплантации, которую осуществляют согласно фиг.5. Энергию ионов мышьяка 10 выбирают так, чтобы ионы полностью задерживались слоями 8 и 9А. В результате процесса ионной имплантации формируются имплантированные области 11 в кремнии 1. Повторно проводят процесс жидкостного травления наноструктуры в травителе аморфного кремния, селективном по отношению к кристаллическому кремнию. В результате процесса обратного (взрывного) удаления наноструктуры получается структура, показанная на фиг.6. Проводят процесс окисления кремния, в результате которого формируется структура, показанная на фиг.7. Структура содержит тонкий подзатворный оксид кремния 12 и легированные области 11А, полученные из областей 11 в результате электрической активации имплантированной примеси. Электрическая активация может осуществляться как за счет известного процесса быстрого термического отжига, так и за счет температурного воздействия при формировании оксида. Расстояние между областями 11 А по горизонтали на фиг.7 задает длину высокоомной области Lh. Период легирования равен периоду наноструктуры
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/955.gif)
После удаления маски из нитрида кремния 3А (показана на фиг.2) получается структура, изображенная на фиг.8. МОП-транзистор с периодически легированным каналом показан на фиг. 9. Он сформирован в результате проведения операций формирования затвора из поликремния 13, последующей имплантации ионов мышьяка и формировании областей истока 14 и стока 15. МОП-транзистор с периодически легированным каналом можно изготовить и другим способом. На площадку для формирования транзистора, как показано на фиг.10, сначала осаждают слой аморфного гидрогенизированного кремния (
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/955.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191003/955.gif)
Маску, состоящую из слоев 18, 19D и 16D или 18, 19С и 16С, удаляют обратным (взрывным) методом. После удаления маски из нитрида кремния 3Е (показана на фиг.18) формируют затвор из поликремния 13А, последующей имплантацией ионов мышьяка формируют области истока 14А и стока 15А и проводят электрическую активацию легирующей примеси в этих областях. В результате получается МОП-транзистор с периодически легированными областями в канале 20D, показанными на фиг.24 и фиг.25. Рассмотрим еще один вариант периодического легирования канала МОП-транзистора при помощи волнообразной наноструктуры. Для этого отправной точкой служит структура, показанная на фиг.26. В отличие от фиг.17 слой
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
![способ изготовления полевого транзистора с периодически легированным каналом, патент № 2191444](/images/patents/279/2191006/945.gif)
Класс H01L21/335 полевых транзисторов