способ изготовления кмоп транзисторов с приподнятыми электродами

Формула изобретения

1. Способ изготовления КМОП транзисторов с приподнятыми электродами, включающий формирование в подложке первого типа проводимости скрытого слоя второго типа проводимости, формирование эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое карманов первого и второго типов проводимости, формирование изолирующих областей травлением U-образных канавок в эпитаксиальном, n ⁺скрытом слоях и частично в подложке, формирование в U-образных канавках первого диэлектрика, формирование на дне канавок противоканальных областей одного типа проводимости с подложкой, формирование в U-образных канавках второго диэлектрика, заполнение U-образных канавок поликремнием с последующей его планаризацией до второго диэлектрика, удаление второго и первого диэлектриков с горизонтальных плоскостей структуры, формирование подзатворного диэлектрика, формирование первого слоя аморфного кремния, формирование третьего диэлектрика, на котором формируют второй слой аморфного кремния, формирование сток-истоковых окон p- и n-транзисторов, формирование на стенках окон разделительного диэлектрика, удаление со дна окон подзатворного диэлектрика, формирование низколегированных областей p- и n-транзисторов, соответственно в карманах n- и p-типа проводимости, формирование монокристаллических электродов в сток-истоковых окнах методом гидридной эпитаксии, в результате которой в окнах, вскрытых до монокристаллического кремния, растет монокристаллический кремний, а над слоем аморфного кремния - поликристаллический кремний, удаление поликристаллического кремния химико-механической полировкой и селективное травление третьего диэлектрика, расположенного над затворными и изолирующими областями, легирование монокристаллических электродов в сток-истоковых окнах и затворов примесью второго типа проводимости n-транзистора и примесью первого типа проводимости p-транзистора с последующим термическим отжигом, формирование контактов к поликристаллическим электродам в сток-истоковых окнах и затворам n- и p-транзисторам полицидом тугоплавкого металла, формирование защитного диэлектрика и металлизированной разводки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделительный диэлектрик на стенках окон формируют из нитрида кремния, на котором формируют третий слой аморфного кремния.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что монокристаллические электроды сток-истоковых областей формируют при Т=(850-900)°С в потоке моносилана с водородом.

Описание изобретения к патенту

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления КМОП транзисторов (комплементарных металл-окисел-полупроводник) в составе ИМС. По предлагаемой технологии могут отдельно изготавливаться p-МОП, n-МОП и биполярные структуры.

При уменьшении длины затвора масштабируемых МОП транзисторов (МОПТ) менее 130 нм, когда глубина залегания p-n-перехода сток-истоковых областей достигает 40 нм, доминирующим параметром, ограничивающим ток стока, становится последовательное сопротивление транзистора. Кроме того в таких МОПТ усугубляется проблема тока утечки p-n-перехода после формирования силицидных контактов. Последнее связано с тем, что толщину слоя силицида невозможно уменьшить пропорцианально глубине залегания p-n-перехода сток-истоковых областей, вследствие чего при формировании силицидного слоя толщиной 50 нм на сток-истоковых областях глубиной залегания p-n-перехода до 70 нм происходит на 2-3 порядка увеличение тока утечки p-n-перехода.

Существуют способы изготовления МОПТ с поликремниевыми контактами к сток-истоковым областям, а.с. СССР N1421186, H01L 21/18, БИ №13, 1996 [1]. Недостатком данного способа изготовления является отсутствие селективности при травлении поликремния относительно монокристаллического кремния. При плазмохимическом травлении поликремния, находящимся на монокристаллическом кремнии, возможны следующие варианты, приводящие к невоспроизводимости работы МОПТ: а) при недотраве поликремния в области затвора создается некачественный подзатворный диоксид кремния, формируемый как из недотравленного поликремния, так и из монокристаллического кремния, что приводит к невоспроизводимости пороговых напряжений и быстрейшей деградации подзатворного диоксида кремния; б) затрав в монокристаллический кремний приводит к радиационным и другим нарушениям в кремнии, ухудшающим качество подзатворного диоксида кремния.

В пат. США [2] N6436781 после вскрытия окон под базовые области осаждается первый поликремний, который легируется ионной имплантацией бора, по первому поликремнию осаждается пиролизный диэлектрик, в котором вскрываются окна под эмиттер и травится первый поликремний до монокристаллического кремния. Термическим отжигом формируется пассивная базовая область перераспределением примеси из первого поликремния. Ионной имплантацией бора в этом окне формируется активная базовая область, на вертикальных стенках эмиттерных окон формируется разделительный диэлектрик и осаждается второй поликремний, который легируется ионной имплантацией мышьяка. Термическим отжигом формируется активная базовая область перераспределением бора, введенного в окна перед осаждением второго поликремния, и эмиттерная область перераспределением мышьяка из второго поликремния. Недостатком данного способа изготовления является отсутствие селективности при травлении первого поликремния относительно монокристаллического кремния, что приводит к токовьм утечкам p-n-перехода эмиттер-база через недотравленный первый поликремний или невоспроизводимости коэффициента усиления транзистора при затраве в монокристаллический кремний. Существуют способы изготовления МОПТ с приподнятыми электродами из поликристаллического кремния, в которых отсутствует необходимость травления поликремния относительно кремния.

Так в способе изготовления МОПТ с приподнятыми электродами, пат. США N6063676 [3], после формирования затвора, защищенного разделительным диэлектриком, вскрытия окон под сток-истоковые области на поверхность подложки осаждают поликремний, планарно наносят на подложку фоторезист. Травят фоторезист по всей подложке, оставляя последний определенной толщины в сток-истоковых областях. Под защитой фоторезиста, оставшегося в сток-истоковых областях, травят поликремний незащищенный фоторезистом. В другом варианте этого способа, после формирования затвора, защищенного разделительным диэлектриком, вскрытия окон под сток-истоковые области на поверхность подложки осаждают поликремний и низкотемпературный диэлектрик, например нитрид кремния, фосфоросиликатное или борофосфоросиликатное стекло, проводят его химико-механическую планаризацию до планарности по всей подложке, травят низкотемпературный слой, оставляя его определенной толщины в сток-истоковых областях. Под защитой диэлектрика, оставшегося в сток-истоковых областях, травят поликремний незащищенный диэлектриком. После травления фоторезиста или диэлектрика с сток-истоковых областей в последних остается слой поликремния, который легируют. Формируют защитный диэлектрик, в котором фотолитографией вскрывают контактные окна к стоковым-истоковым и затворным областям и осуществляют металлизированную разводку. Недостатком вышеописанного способа является: а) отсутствие самосовмещения контактов к областям, приводящее к увеличению общего сопротивления структуры и уменьшению быстродействия; б) поликремниевые контакты из поликремния имеют сопротивление в (1,5-2,0) раза больше, чем из монокремния, что приводит к снижению быстродействия.

Недостатки, присущие пат. США N6063676, устраняются в способе изготовления МОПТ с приподнятыми сток-истоковыми электродами [4] (Фиг.1) (Г.Я.Красников. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП транзисторов. Часть 1. «Техносфера» Москва, 2002, с.385-394), в котором в подложке первого типа проводимости формируют изолирующую область с противоканальной областью первого типа проводимости под изолирующей областью, формируют подзатворный диэлектрик, осаждают поликремний, в поликремнии и подзатворном диэлектрике формируют окна под сток-истоковые окна (при вскрытии окон формируется затворная область-подзатворный диэлектрик 3, поликремний 4), в сток-истоковых окнах ионной имплантацией формируют низколегированные области 6 (LDD - Light Dopent Drain), формируют разделительный диэлектрик 5 на вертикальных стенках в сток-истоковых окнах, локальной эпитаксией формируют локальные монокристаллические электроды 8, ионной имплантацией электродов 8 легируют сток-истоковые электроды 12, 11 с последующим термическим отжигом и осуществляют формирование силицида тугоплавкого металла 9, 10 (фиг.1) на сток-истоковых электродах и на затворе. Недостатком данного способа изготовления является то, что между локальным слоем кремния 8, разделительным диэлектриком 5 и изолирующей областью 2 образуются пустоты 13 (фиг.1), вследствие роста кремния только на кремнии. При формировании силицида тугоплавких металлов в результате перераспределения атомов кремния на участках А и Б в металл появляются повышенные токи утечки p-n-переходов или закоротки затвор - (сток-исток), подложка - (сток-исток).

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является «Способ изготовления транзистора с приподятыми сток-истоковыми электродами» пат. США N4998150 [5], включающий формирование в подложке первого типа проводимости изолирующей области 2 (фиг.2), с противоканальной областью первого типа проводимости под изолирующей областью, формирование подзатворного диэлектрика, осаждение поликремния, формирование в поликремнии и подзатворном диэлектрике окон под сток-истоковые области (при вскрытии окон формируется затворная область-подзатворный диэлектрик 3, поликремний 4), формирование в сток-истоковых окнах ионной имплантацией низколегированных областей 6 (LDD - Light Dopent Drain), формирование на стенках окон разделительного диэлектрика 5, формирование монокристаллических электродов 8 в сток-истоковых областях локальной эпитаксией, легирование электродов в сток-истоковых окнах ионной имплантацией с последующим термическим отжигом, осаждение диэлектрика 14, его планаризация с горизонтальных плоскостей структуры, формирование контактов 9, 10, соответственно к сток-истоковым и затворным областям полицидом тугоплавкого металла. В этом способе (Фиг.2) для предотвращения закороток затвор - (сток-истоковые области), подложка - (сток-истоковыеобласти) и уменьшения повышенных утечек тока p-n-переходов на участках А, Б (Фиг.1), перед формированием силицида тугоплавкого металла, осаждают диэлектрик, который заполняет пустоты. Реактивно ионное травление диэлектрика проводят до вскрытия локальных кремниевых слоев, при этом пустоты заполняются диэлектриком 14 (Фиг.2), после чего форимруют полицид тугоплавкого металла 9, 10 на сток-истоковых областях и затворе соответственно. Наличие диэлектрика 14 (Фиг.2) предотвращает взаимную диффузию атомов кремния подложки в металл и атомов металла в подложку, что способствует уменьшению тока утечек и закороток p-n-переходов.

Недостатком прототипа является то, что практически в конце изготовления структуры она подвергается жесткой плазменной обработке при реактивно ионном травлении диэлектрика, осажденного на подложку для заполнения пустот, приводящее к ухудшению электрических свойств диэлектрика, а также необходимость прецизионного травления диэлектрика, заполняющего пустоты. Недотравы этого диэлектрика приводят к повышенному сопротивлению силицидов на сток-истоковых областях, перетравы диэлектрика способствуют увеличению закороток p-n-переходов.

Цель изобретения - устранение недостатков прототипа, приводящее к улучшению и стабилизации электрофизических свойств подзатворного диоксида кремния, уменьшению утечек и закороток p-n-переходов, способствующих повышению выхода годных КМОП транзисторов с приподнятыми электродами из монокристаллических областей, сформированными гидридным эпитаксиальным наращиванием.

Суть изобретения состоит в том, что в подложке первого типа проводимости формируют скрытый слой второго типа проводимости, формируют эпитаксиальный слой второго типа проводимости, формируют в эпитаксиальном слое карманы первого и второго типов проводимости, формируют изолирующие области травлением U-образных канавок в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке, формируют в U-образных канавках первый диэлектрик, формируют на дне канавок противоканальные области одного типа проводимости с подложкой, формируют в U-образных канавках второй диэлектрик, заполняют U-образные канавки поликремнием с последующей его планаризацией до второго диэлектрика, удаляют второй и первый диэлектрик с горизонтальных плоскостей структуры, формируют подзатворный диэлектрик, формируют первый слой аморфного кремния, формируют третий диэлектрик, на котором формируют второй слой аморфного кремния, формируют сток-истоковые окна p- и n-транзисторов, формируют на стенках окон разделительный диэлектрик, удаляют со дна окон подзатворный диэлектрик, формируют низколегированные области p- и n-транзисторов, соответственно в карманах n- и p-типа проводимости, формируют монокристаллические электроды в сток-истоковых окнах методом гидридной эпитаксии, в результате которой в окнах, вскрытых до монокристаллического кремния, растет монокристаллический кремний, а над слоем аморфного кремния - поликристаллический кремний, удаляют поликристаллический кремний химико-механической полировкой и селективно травят третий диэлектрик, расположенный над затворными и изолирующими областями, легируют монокристаллические электроды в сток-истоковых окнах и затворы примесью второго типа проводимости n-транзистора и примесью первого типа проводимости p-транзистора с последующим термическим отжигом, формируют контакты к поликристаллическим электродам в сток-истоковых окнах и затворам n- и p-транзисторам полицидом тугоплавкого металла, формируют защитный диэлектрик и металлизированную разводку.

В способе изготовления КМОП транзисторов с приподнятыми электродами, формирование сток-истоковых электродов гидридным эпитаксиальным наращиванием, с предварительно сформированным слоем аморфного кремния, например, на нитриде кремния перед эпитаксиальным наращиванием, позволяет уменьшить микрорельеф поликристаллического кремния, а также в сток-истоковых окнах предотвращает образование пустот между диэлектриком и монокристаллическими электродами из-за индентичности кристаллических решеток кремния и аморфного кремния. Формирование монокристаллических электродов в потоке моносилана с водородом при температуре эпитаксии меньше 850°С скорость роста ничтожна мала, удлиняет технологический цикл изготовления интегральных схем, а при температуре больше 900°С скорость роста поликристаллического кремния на аморфном кремнии становится больше, чем монокремния на кремнии, в результате чего окна в сток-истоковых окнах могут захлопнуться встречным ростом поликремния и рост монокристаллических электродов в окнах прекращается.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в сток-истоковых вскрытых окнах монокристаллические электроды формируются методом гидридной эпитаксии, в результате которой в окнах, вскрытых до монокристаллического кремния, растет монокристаллический кремний, а над слоем аморфного кремния - поликристаллический кремний, что позволяет исключить закоротки p-n-переходов, уменьшить токовые утечки, а отсутствие реактивно-ионного травления на конечной стадии изготовления позволяет стабилизировать электрофизические свойства подзатворного диоксида кремния и превысить за счет этого процент выхода годных ИМС. Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

На Фиг.3-8 представлены основные этапы изготовления КМОП транзисторов с приподнятыми электродами, сформированными гидридным эпитаксиальным наращиванием.

На фиг.3 представлен разрез структуры, КМОП транзистора, где в полупроводниковой подложке 15 сформирован скрытый слой 16, на котором эпитаксией выращен эпитаксиальный слой 21. В эпитаксиальном слое сформированы карман 22 р-типа и 21 n-типа. Карманы n- и p-типа разделены изолирующими областями, состоящие из первого диэлектрика 17 и второго диэлектрика 18 на вертикальных стенках U-образных канавках, вытравленных в эпитаксиальном, скрытом слоях и подложке и заполненых поликремнием 19. На дне канавок сформированы противоканальные области 20 одного типа проводимости с подложкой. На эпитаксиальном слое сформирован подзатворный диэлектрик 23, слой аморфного кремния 24, из которых впоследствии будут сформированы затворы p- и n-транзисторов. На аморфном слое сформирован третий диэлектрик 25 и второй слой аморфного кремния 26.

На фиг.4 представлен разрез структуры, КМОП транзистора, где фотолитографией вскрыты сток-истоковые окна p- и n-транзисторов, на вертикальных стенках окон сформирован разделительный диэлектрик 27 и аморфный кремний 28, удален со дна канавок подзатворный диэлектрик и ионной имплантацией примеси одного типа проводимости с подложкой сформирована низколегированная область 29 в n-кармане, и противоположного типа проводимости подложки сформирована низколегированная область 30 в p-кармане (LDD - Light Dopent Drain).

На фиг.5 представлен разрез структуры, КМОП транзистора, где гидридным (SiH ₄+H₂) эпитаксиальным наращиванием сформированы эпитаксиальные монокристаллические электроды, причем в вскрытых до кремния сток-истоковых окнах растет монокристаллический кремний 32, а над областями аморфного кремния растет поликристаллический слой кремния 31.

На фиг.6 представлен разрез структуры, КМОП транзистора после химико-механической полировки поликристаллического слоя кремния 31 (фиг.5), слоя аморфного кремния 26 (фиг.3), до планарности с третьим диэлектриком и удаления третьего диэлектрика 25 (фиг.5). В результате химико-механической полировки формируется планарная структура, в которой подзатворный диэлектрик 23 и аморфный слой кремния 24 (фиг.3) являются затворными областями, а монокристаллический кремний 32 - сток-истоковыми электродами.

На фиг.7 представлен разрез структуры, КМОП транзистора, где поочередно локально, под защитой фоторезиста 39, легируются ионной имплантацией примесью противоположного типа проводимости подложки сток-истоковые электроды 33, 35, явлющиеся монокристаллическим кремнием. и затвор 34 в p-кармане, а потом примесью одного типа проводимости с подложкой - сток-истоковые электроды 36, 37 также являющиеся монокристаллическим кремнием и затвор 38 в n-кармане.

На фиг.8 представлен разрез структуры, КМОП транзистора, где термическим отжигом сформирваны сток-истоковые области 41, 42, низколегированная область 40 p-транзистора. сток-истоковые области 44, 43, низколегированная область 45 n-транзистора, над слоями аморфного и монокристаллического кремния сформирован силицид тугоплавкого металла 46, сформирован защитный диэлектрик 48, в котором вскрыты окна к сток-истоковым электродам и затвору (на фиг.8 не показано окно к затвору) и сформирована металлизированная разводка 47.

Из рассмотрения предлагаемого технического решения, в способе изготовления КМОП-транзисторов с приподнятыми электродами, формирование сток-истоковых областей проводится гидридным эпитаксиальным наращиванием, с предварительно сформированным слоем аморфного кремния над диэлектриком перед эпитаксиальным наращиванем, что позволяет исключить пустоты между затворными и сток-истоковыми областями, между сток-истоковыми и изолирующими обастями и предотвращает закоротки p-n-переходов, увеличивая тем самым выход годных. Приподнятые монокристаллические электроды в сток-истоковых окнах, сформированные гидридным эпитаксиальным наращиванием, позволяют формировать субмикронные p-n-переходы, уменьшить последовательное сопротивление транзистора, тем самым повысить быстродействие.

Пример. В монокристаллической подложке p-типа проводимости КДБ-12(100) формировали сплошной скрытый слой ионной имплантацией сурьмы Е=100 кэВ, Д=100 мкКл с последующим термическим отжигом при Т=1200°С в течение 60 мин. Параметры скрытого слоя: _s=(50-60)Ом/ ; X_j=(2-2,1) мкм. Наращивали эпитаксиальный слой n-типа проводимости толщиной (1,0-1,2) мкм и _v=4,5 Ом·см, в эпитаксиальном слое 1 формировали карманы имлантацией бора с Е=30 кэВ и Д=1,1 мкКл/см² с последующим термическим отжигом: Т=1050°С 40 мин в кислороде и 120 мин в азоте. Получали следующие параметры: глубина кармана - (0,55-0,6) мкм; поверхностное сопротивление - (5,8-6,3) кОм/ ; поверхностное сопротивление n⁺-скрытого слоя - (68-71) Ом/ ; глубина n⁺-скрытого слоя - (2,9-3,2) мкм. На эпитаксиальный слой осаждали диоксид кремния пиролизом ТЭОСа (тетраэтилортосиликата) при Т=720°С и давлении в реакторе 40 Па толщиной 0,3 мкм. В пиролизном диоксиде кремния вскрывали окна под области разделения, плазмохимическим травлением в SF ₆+CF₃J при Р=4 Па травили кремний на глубину, равную толщине эпитаксиального, скрытого слоев и частично подложку на глубину ОПЗ (области пространственного заряда). В канавках формировали диоксид кремния термическим окислением в трихлорэтилене с кислородом при Т=800°С толщиной 10 нм (первый диэлектрик), формировали на дне канавок противоканальные области имплантацией бора с Е=60 кэВ и Д=6 мкКл/см ². Формировали нитрид кремния аммонолизом дихлорсилана при Т=800°С и Р=15 Па толщиной 120 нм (второй диэлектрик). Заполняли канавки поликремнием, осаждением последнего при Т=620°С и Р=80 Па с последующей его планаризацией до второго диэлектрика. Удаляли нитрид кремния и пиролизный диоксид кремния с горизонтальных плоскостей структуры и формировали подзатворный диоксид кремния при Т=800°С в кислороде толщиной 6 нм. Осаждали первый слой аморфного кремния пиролизом моносилана при Т=570°С толщиной 200 нм, осаждали третий пиролизный диоксид кремния пиролизом ТЭОСа при Т=720°С и Р=80 Па толщиной 100 нм, на котором осаждали второй слой аморфного кремния толщиной 30 нм. Методом фотолитографии и плазмохимического травления второго слоя аморфного кремния в SF₆+O₂ при Р=(2-3) Па и мощности ВЧ разряда 100 Вт, третьего пиролизного диоксида кремния в CHF₃+CF ₄+Ar при Р=65 Па и мощности ВЧ разряда (350-380) Вт и первого слоя аморфного кремния формировали затворы и сток-истоковые окна p- и n-транзисторов, на стенках окон формировали разделительный диэлектрик из нитрида кремния толщиной 80 нм и аморфный кремний толщиной 30 нм. Со дна окон удаляли подзатворный диэлектрик и локально ионной имплантацией BF₂ с Е=30 кэВ и Д=10 мкКл/см² формировали низколегированные области (LDD - Light Dopent Drain) p-транзисторов в карманах n-типа и ионной имплантацией As с Е=20 кэВ и Д=30 мкКл/см ² формировали низколегированные области n-транзисторов в карманах p-типа с последующим быстрым термическим отжигом при Т=800°С 10 сек. Формировали монокристаллические электроды в сток-истоковых окнах при Т=900°С методом гидридной эпитаксии в потоке водорода с концентрацией моносилана (5-10)% толщиной 300 нм, при этом в окнах, вскрытых до монокристаллического кремния, наращивался монокристаллический кремний, а над вторым слоем аморфного кремния-поликристаллический кремний химико-механической полировкой поликристаллического кремния и второго слоя аморфного кремния осуществляли планаризацию структуры до третьего пиролизного диоксида кремния, удаляли третий пиролизный диоксид кремния с затворных и изолирующих областей и локально ионной имплантацией BF ₂ с Е=10 кэВ и Д=320 мкКл/см² легировали сток-истоковые монокристаллические электроды и затворы p-транзистора и As с Е=40 кэВ и Д=320 мкКл/см² легировали сток-истоковые монокристаллические области и затворы n-транзистора с последующим быстрым термическим отжигом 900°С, 10 сек. При этом получали следующие параметры p-транзистора: X _{J LDD}=(0,14-0,15) мкм, _{S LDD}=(1,15-1,25) кОм/ , X_{J С-И}=(0,32-0,33)мкм, _{S С-И}=(120-130) Ом/ , _{S З}=(0,3-0,35) кОм/ и n-транзистора:: X_{J LDD}=(0,15-0,18) мкм, _{S LDD}=(0,42-0,52) кОм/ , X_{J С-И}=(0,31-0,32) мкм, _{S С-И}=(68-70) Ом/ , _{S З}=(0,5-0,6) кОм/ . Контакты к сток-истоковым областям и затворам формировали напылением никеля толщиной 50 нм с отжигом в вакууме при Т=450°С 30 мин и последующим травлением непрореагировавшего никеля в Н₂SO₄+Н ₂О₂. Осаждали фосфоросиликатное стекло ФСС) при Т=450°С толщиной 500 нм, вскрывали окна в ФСС к контактам и осуществляли металлизированную разводку алюминием с 2%-ным содержанием кремния споследующим вплавлением алюминия при Т=450°С в течение 30 мин в формингазе (90%Ar+10%Н ₂).

Источники информации

1. А.с. СССР N1421186, 1996.

2. Пат. USA N6436781, 1999.

3. Пат. USA N6063676, 2000.

4. Г.Я.Красников. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Часть 1. «Техносфера» Москва, 2002, с.385-394.

5. Пат. USA N5079180, 1992 - прототип. Раб. тел. 532-99-79.