Способ изготовления полевых транзисторов с самосовмещенным затвором субмикронной длины

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении полевых транзисторов. Изобретение обеспечивает повышение напряжений пробоя затвор-сток за счет формирования структуры со слаболегированными стоком и истоком, уменьшение привносимой в приповерхностный слой канала дефектности, а также создание возможности для формирования электрода затвора большой высоты за счет получения оптимального профиля диэлектрического макета затвора. Сущность изобретения: в способе изготовления GaAs полевых транзисторов с самосовмещенным затвором субмикронной длины создают канал n-типа проводимости путем ионного легирования полуизолирующих подложек арсенида галлия однозарядными ионами кремния, осаждают четыре слоя оксида кремния различных по составу и с различной скоростью жидкостного травления, при этом слои с большей и меньшей скоростью жидкостного травления чередуются, формируют многослойный диэлектрический макет затвора реактивно-ионным травлением диэлектрических слоев так, что часть толщины первого слоя диэлектрика остается на поверхности, после чего проводят травление столбика с одновременным удалением оставленной части первого слоя, ионное легирование контактных областей истока и стока с помощью двух наклонных имплантаций с использованием макета затвора в качестве элемента самосовмещения, высокотемпературный активационный отжиг, планаризацию поверхности фоторезистом, реактивное ионное травление фоторезиста, замену многослойного диэлектрического макета на металлический затвор и создают омические контакты. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к способам изготовления полевых транзисторов с субмикронным самосовмещенным затвором Шоттки (ПТШ), в том числе и с использованием диэлектрического макета затвора, и может быть использовано при создании как дискретных ПТШ, так и СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) на основе полупроводниковых соединений А^IIIВ^V.

Известен способ изготовления ПТШ [Т.Enoki et al. / 0.3 mkm Advanced SAINT FET's Having Asymmetric n+-Layers for Ultra-High-Frequency GaAs MMIC's // IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-35, pp.18-24, January, 1988], в котором после легирования n+-областей истока с углом падения ионов в ноль градусов к нормали к поверхности и стока с углом падения ионов в 7 градусов к нормали к поверхности, на полупроводниковой подложке формируется фоторезистивный макет затвора, затем посредством травления в кислородной плазме макет сужается до субмикронного размера и производится комфорное низкотемпературное осаждение пленки SiO₂. Производится жидкостное травление пленки SiO₂, вплоть до момента окончания полного ее удаления с боковых стенок макета затвора, зачем макет удаляется. Далее производится активационный высокотемпературный отжиг и с помощью обратной литографии и осаждения металлических пленок формируется затворный электрод.

Недостатками такого способа является использование дополнительной операции фотолитографии, необходимой для формирования затвора, а также отсутствие возможности задавать сложный профиль макета затвора.

Наиболее близким к заявляемому способу по наибольшему числу существенных признаков является способ изготовления ПТШ [V.Graf et al., / Fully Self-Aligned Shallow Implanted GaAs MESFET // Proc. 14th Int. Symp.GaAs and Related Comnpounds, 1987, Heraklion, Greece]. В данном способе диэлектрический макет затвора, сформированный на полупроводниковой подложке с использованием плазмохимического осаждения (ПХО) трех слоев оксида кремния с различным содержанием кремния и последующим реактивным ионным травлением (РИТ) по маске фоторезиста, сужается до субмикронного размера посредством травления в буферном травителе и приобретает Т-образную форму за счет различных скоростей травления диэлектрических слоев. Далее, после имплантации n+-областей и активационного отжига проводятся процессы планаризации поверхности слоями полиамида и фоторезиста, плазмохимическое травление фоторезиста до вскрытия макета затвора и травление макета затвора в буферном травителе, с последующим дотравливанием нижнего слоя диэлектрика посредством реактивного ионного травления. В результате в маске формируется окно, имеющее профиль с отрицательными стенками. Далее следует напыление затворной металлизации.

Недостатком способа является использование процесса РИТ при дотравливании макета, который нарушает поверхность полупроводника за счет ее ионной бомбардировки. Кроме этого, профиль в фоторезисте, получаемый в результате удаления макета, не позволяет сформировать электрод затвора большой высоты. Третьим недостатком данного способа является низкое значение напряжения пробоя затвор-сток.

Основной технической задачей предлагаемого способа является повышение напряжений пробоя затвор-сток за счет формирования структуры со слаболегированными стоком и истоком, уменьшение привносимой в приповерхностный слой канала дефектности за счет использования не нарушающих поверхность канала методов травления, а также создание возможности для формирования электрода затвора большой высоты за счет получения оптимального профиля диэлектрического макета затвора.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе изготовления GaAs полевых транзисторов с самосовмещенным затвором субмикронной длины, предусматривающем создание канала n-типа путем ионного легирования полуизолирующих подложек арсенида галлия однозарядными ионами кремния, осаждение диэлектрических слоев оксида кремния различного состава и с различной скоростью жидкостного травления, формирование многослойного диэлектрического макета затвора посредством реактивного ионного травления диэлектрических слоев, последующее жидкостное химическое травление столбика макета, ионное легирование контактных областей стока и истока с использованием макета затвора в качестве элемента самосовмещения, высокотемпературный активационный отжиг, планаризацию поверхности фоторезистом, реактивное ионное травление фоторезиста, замену многослойного диэлектрического макета на металлический затвор, создание омических контактов, согласно предложенному решению после ионного легирования канала осаждается четыре слоя оксида кремния различного состава и с различной скоростью жидкостного травления, при этом слои с большей и меньшей скоростью травления чередуются, формирование многослойного диэлектрического макета затвора производится реактивно-ионным травлением диэлектрических слоев таким образом, что часть толщины первого слоя диэлектрика остается на поверхности, жидкостное химическое травление столбика производится с одновременным удалением оставленной части первого слоя, а ионное легирование контактных областей истока и стока производится с помощью двух наклонных имплантаций.

В частном случае энергии ионов первой и второй наклонной имплантации различны.

В частном случае дозы легирования ионов первой и второй наклонной имплантации различны.

В частном случае углы наклонов пучка ионов первой и второй наклонной имплантации различны.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого способа, отсутствуют.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенным признакам изобретения на достижение указанного технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1-12 представлены основные этапы изготовления ПТШ по предлагаемому способу.

Предлагаемый способ включает в себя следующую последовательность операций. С помощью локального ионного легирования ионов Si⁺ в подложке полуизолирующего GaAs 1 создают канал n-типа 2 (фиг.1), далее методами химического и плазмохимического осаждения из газовой фазы осаждают диэлектрические слои оксида кремния 3 и 4 соответственно (фиг.2), затем создают металлическую маску 5 (фиг.3), определяющую положение диэлектрического макета затвора, проводят формирование макета посредством реактивно-ионного травления диэлектрических слоев оксида кремния 3, 4 таким образом, что часть толщины первого диэлектрического слоя оксида кремния 3 остается на поверхности (фиг.4), далее проводят жидкостное химическое травление столбика, с одновременным удалением оставленной части первого диэлектрического слоя оксида кремния 3, в результате которого за счет различных скоростей травления слоев оксида кремния формируется двойная Т-образная форма макета и происходит уменьшение начальной длины макета затвора до субмикронного размера (фиг.5), далее проводят две наклонные ионные имплантации для создания n+-контактных областей стока 6 и истока 7 с использованием макета затвора в качестве элемента самосовмещения (фиг.6), затем после высокотемпературного активационного отжига следуют операции планаризации поверхности фоторезистом 8 (фиг.7) с последующим реактивно-ионным травлением до верхнего диэлектрического слоя оксида кремния 4 (фиг.8), далее диэлектрический макет затвора удаляется жидкостным химическим травлением (фиг.9), затем проводят напыление металлического затвора 9 (фиг.10) и удаление фоторезиста 8 для замены диэлектрического макета на металлический затвор 9 (фиг.11), далее следует формирование омических контактов 10 (фиг.12).

Основная техническая задача решается в следующих интервалах значений критических величин.

Угол падения пучка ионов к нормали поверхности при создании n+-контактных областей стока и истока с использованием диэлектрического макета затвора в качестве элемента самосовмещения варьируется от 0°<ф1<20° и от 0°<ф2<20°, для формирования n+-контактных областей стока и истока на необходимом для достижения высоких напряжений пробоя расстоянии от диэлектрического макета затвора.

Толщина первого от подложки слоя оксида кремния, полученного химическим осаждением из газовой фазы, варьируется в интервале 0,2 мкм≤d1≤0,5 мкм. Минимальное значение d1 определяется достижением стабильности скорости травления диэлектрика в зависимости от его толщины. Дополнительным фактором определения минимальной толщины d1 является получение электрода затвора большой высоты, что необходимо для достижения малого погонного сопротивления затворной металлизации. Увеличение толщины d1 более 0,5 мкм приводит к возникновению существенных механических напряжений в слое, а также нетехнологично с точки зрения практически значимого времени проведения операции осаждения диэлектрика. Толщина второго от подложки слоя оксида кремния, полученного плазмохимическим осаждением из газовой фазы, варьируется в интервале 0,2 мкм≤d2≤0,5 мкм. Минимальное значение d2 определяется возможностью получения обратного профиля в фоторезисте. Дополнительным фактором определения минимальной толщины d2 является получение электрода затвора большой высоты, что необходимо для достижения малого погонного сопротивления затворной металлизации. Увеличение толщины d2 более 0,5 мкм приводит к возникновению существенных механических напряжений в слое, а также нетехнологично с точки зрения практически значимого времени проведения операции осаждения диэлектрика.

Толщина третьего от подложки слоя оксида кремния, полученного химическим осаждением из газовой фазы, варьируется в интервале 0,2 мкм≤d3≤0,5 мкм. Минимальное значение d3 определяется достижением стабильности скорости травления диэлектрика в зависимости от его толщины. Увеличение толщины d3 более 0,5 мкм приводит к возникновению существенных механических напряжений в слое, а также нетехнологично с точки зрения практически значимого времени проведения операции осаждения диэлектрика.

Толщина четвертого от подложки слоя оксида кремния, полученного плазмохимическим осаждением из газовой фазы, варьируется в интервале 0,2 мкм≤d4≤0,5 мкм. Минимальное значение d4 определяется достаточностью толщины слоя для маскирования при ионной имплантации в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ. Увеличение толщины d4 более 0,5 мкм приводит к возникновению существенных механических напряжений в слое, а также нетехнологично с точки зрения практически значимого времени проведения операции осаждения диэлектрика.

Суммарная высота диэлектрического макета варьируется в интервале 0,8 мкм≤d0≤2 мкм. Минимальное значение d0 определяется получением электрода затвора большой высоты, что необходимо для достижения малого погонного сопротивления затворной металлизации. Увеличение толщины d0 более 2 мкм приводит к возникновению существенных механических напряжений в слое, а также нетехнологично с точки зрения практически значимого времени проведения операции осаждения слоев диэлектрика.

ПРИМЕР.

Данный пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа.

Проводили изготовление полевого транзистора на структуре арсенида галлия. Основные этапы изготовления представлены на фиг.1-12. Сначала с помощью ионного легирования ионов Si⁺ энергией 40 кэВ и дозой 1,4 мкКл/см в подложке полуизолирующего GaAs 1 создали канал n-типа 2 (фиг.1), далее методами химического и плазмохимического осаждения из газовой фазы осаждают диэлектрические слои оксида кремния 3 и 4 соответственно, толщиной по 0,3 мкм (фиг.2), затем создали металлическую маску 5, выполненную в виде слоя титана толщиной 0,1 мкм и слоя золота толщиной 0,3 мкм и длиной 1,2 мкм (фиг.3), провели формирование макета посредством реактивно-ионного травления диэлектрических слоев оксида кремния 3, 4 в смеси CF₄/O₂ таким образом, что часть первого диэлектрического слоя оксида кремния 3 толщиной 0,1 мкм осталась на поверхности (фиг.4), далее провели жидкостное химическое травление в буферном травителе в течение 30 секунд (фиг.5), далее провели две ионные имплантации ионами Si⁺ под углом 10°, энергией 40 кэВ и дозой 1,4 мкКл/см² для создания n+-контактных областей стока 6 и истока 7 (фиг.6), затем после активационного отжига при температуре 850°С следовали операции планаризации поверхности фоторезистом 8 (фиг.7) с последующим реактивно-ионным травлением в смеси CF₄/O₂ до верхнего диэлектрического слоя оксида кремния 4 (фиг.8), далее диэлектрический макет затвора удаляли травлением в буферном травителе (фиг.9), затем провели напыление слоя титана толщиной 0,1 мкм и слоя золота толщиной 0,3 мкм (фиг.10) и удалили фоторезист 8 (фиг.11), далее сформировали омические контакты 10 путем напыления сплава AuGe+Ni с последующим отжигом в инертной атмосфере при температуре 420°С (фиг.12). В результате был получен полевой транзистор с длиной затвора 0,5 мкм, расстоянием от затвора до n+-контактных областей стока и истока 0,2 мкм. Ток насыщения полученного полевого транзистора составлял 300 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток и затвор-исток составило 20 В.

1. Способ изготовления GaAs полевых транзисторов с самосовмещенным затвором субмикронной длины, предусматривающий создание канала n-типа путем ионного легирования полуизолирующих подложек арсенида галлия однозарядными ионами кремния, осаждение диэлектрических слоев оксида кремния, различных по составу и скорости жидкостного травления, формирование многослойного диэлектрического макета затвора посредством реактивного ионного травления диэлектрических слоев, последующее жидкостное химическое травление столбика макета, ионное легирование контактных областей стока и истока с использованием макета затвора в качестве элемента самосовмещения, высокотемпературный активационный отжиг, планаризацию поверхности фоторезистом, реактивное ионное травление фоторезиста, замену многослойного диэлектрического макета на металлический затвор, создание омических контактов, отличающийся тем, что осаждается четыре слоя оксида кремния, различных по составу и с различной скоростью жидкостного травления, при этом слои с большей и меньшей скоростью жидкостного травления чередуются, формирование многослойного диэлектрического макета затвора производится реактивно-ионным травлением диэлектрических слоев таким образом, что часть толщины первого слоя диэлектрика остается на поверхности, жидкостное химическое травление столбика производится с одновременным удалением оставленной части первого слоя, а ионное легирование контактных областей истока и стока производится с помощью двух наклонных имплантаций.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергии ионов первой и второй наклонных имплантаций различны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозы легирования ионов первой и второй наклонных имплантаций различны.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что углы наклонов пучка ионов первой и второй наклонных имплантаций различны.