Способ изготовления моп-транзистора на структуре "кремний на изоляторе"

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению полупроводниковых приборов с повышенным значением напряжения пробоя подзатворного диэлектрика и меньшим значением туннельного тока через этот диэлектрик. Технический результат - увеличение значения напряжения пробоя подзатворного диэлектрика субмикронного МОП-транзистора на структуре КНИ, повышение надежности интегральных схем на таких транзисторах. На пластине КНИ создают карман транзистора, формируют область нитрида кремния, соответствующую проектной норме транзистора. Затем формируют слаболегированные области истока и стока и на них слой оксида кремния, удаляют нитрид кремния. Осаждают слой оксида кремния, посредством реактивного ионного травления формируют пристеночные области. Далее формируют подзатворный оксид кремния, затем затвор транзистора посредством осаждения поликристаллического кремния и травления его по маске, далее проводится безмасочное травление оксида кремния, формирование сильнолегированных областей истока и стока. 9 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению полупроводниковых приборов с повышенным значением напряжения пробоя подзатворного диэлектрика и меньшим значением туннельного тока через этот диэлектрик, может быть использовано при создании высоконадежных интегральных схем (ИС).

В патенте RU 2024107 С1 опубл. 30.11.1994 предложен способ изготовления МОП-транзистора. Данный способ подразумевает формирование локального защитного окисла на поверхности кремниевой подложки со сформированной структурой «двуокись кремния - нитрид кремния, поликристаллический кремний, нитрид кремния, двуокись кремния», в которой формируют канавку, соответствующую по форме электроду затвора, а по глубине равную его толщине. Поликремниевые стенки канавки термически окисляют, затем со дна канавки удаляют слои нитрида кремния и двуокиси кремния и на их месте формируют подзатворный окисел, после чего наносят слой поликристаллического кремния, равный по толщине электроду затвора, слой поликристаллического кремния планаризуется по уровню верхнего края канавки, поверхность поликристаллического кремния в канавке термически окисляют, затем за пределами электрода затвора последовательно удаляют слои до кремниевого слоя.

Недостатком данного способа является то, что процесс травления слоя двуокиси кремния в канавке является изотропным (жидкостный метод), что приведет к подтраву спенсеров с внутренней стороны, а после осаждения поликремниевого слоя - к образованию пустот.

Также формирование спейсеров посредством окисления приведет и к формированию тонкого окисла на слое нитрида кремния, что может привести к недоудалению слоя нитрида кремния.

В статье «Полевой транзистор с субмикронным Т-образным затвором», полученным с использованием пристеночного диэлектрика авторами М.В. Степаненко, B.C. Арыковым, A.M. Ющенко, А.Ю. Плотниковой, С. В. Ишуткиным описан способ изготовления транзистора, сформированного на GaAs, где посредством: использования пристеночного диэлектрика формируют Т-образный затвор, тем самым уменьшая длину каната.

Недостатком данного решения является то, что при применении данной технологии на структуре «кремний на изоляторе» (КНИ) или объемном кремнии, как широко применяемым в микроэлектронике, приведет к нежелательному нарушению поверхности кремниевого слоя (области канала), т.к. при формировании щели в слое нитрида кремния в процессе реактивного ионного травления неизбежно будет воздействие на полупроводниковую пластину. Необходимо учитывать, что операцию реактивного ионного травления проводят с небольшим перетравом к целевому значению, то есть воздействие на полупроводниковый слой окажется достаточно велико, что приведет к образованию дефектов в канале и ухудшению характеристик транзистора.

Прототипом данного изобретения является патент RU 2245589 С2 опубл. 27.01.2005 бюл. №3 «Устройство полевого МОП-транзистора и способ его изготовления» автора Снайдера Д.П. Устройство с коротким каналом для регулирования электрического тока содержит полупроводниковую подложку, в которой сформирован канал. Электроды затвора, истока и стока выполнены на полупроводниковой подложке так, что длина канала меньше или равна 100 нм. В предложенной конструкции исключены слаболегированные области истока и стока вследствие уменьшения длины канала транзистора (100 нм и менее), показано, что для: таких проектных норм в такой конструкции можно подобрать оптимальные значения доз примеси, чтобы транзистор обладал заданными характеристиками.

Недостатком данной конструкции является низкое напряжение пробоя подзатворного диэлектрика.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение значения напряжения пробоя подзатворного диэлектрика субмикрон ною МОП-транзистора на структуре КНИ, повышение надежности ИС на таких транзисторах.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления МОП-транзистора на структуре «кремний на изоляторе» (КНИ), включающем формирование областей стока, истока, затвора, подзатворного диэлектрика, на пластине «кремний на изоляторе» создают карман транзистора путем легирования слоя кремния, далее на пластину осаждают слой нитрида кремния и посредством реактивного травления по маске формируют область нитрида кремния, соответствующую проектной норме транзистора. Затем посредством ионной имплантации формируют слаболегированные области истока и стока. Далее методом осаждения оксида кремния из газовой фазы и последовательной планаризации формируют области оксида кремния на слаболегированных областях стока, истока, затем слой нитрида кремния удаляют жидкостным травлением. Осаждают слой оксида кремния посредством низкотемпературного осаждения из газовой фазы, посредством реактивного ионного травления оксида кремния формируют пристеночные области из оксида кремния, ширина которых определена временем травления оксида кремния. Далее после химической очистки поверхности, формируют на слое легированного кремния подзатворный оксид кремния методом высокотемпературного окисления. Затем формируют затвор транзистора посредством осаждения поликристаллического кремния и травления его по маске, далее проводится безмасочное травление оксида кремния, формирование сильнолегированных областей истока и стока посредством ионной имплантации и высокотемпературного отжига, таким образом, чтобы диффузия примесей областей истока и стока заходила под область затвора на расстояние равное ширине пристеночных областей из оксида кремния.

Изобретение поясняют следующие фигуры.

На фиг. 1-7 представлены основные этапы предлагаемого способа изготовления транзистора.

На фиг. 8 приведены распределения напряженности электрического поля в подзатворном диэлектрике транзисторов: кривая а - для транзистора, изготовленного без пристеночных областей у затвора; кривая б - для транзистора с Т-образным затвором, изготовленного с пристеночными областями из оксида кремния у затвора.

На фиг. 9 приведены вольт-амперные характеристики транзисторов с разной шириной пристеночного оксида кремния, а именно: кривая в - для транзистора с шириной пристеночного диэлектрика равной 0,1 мкм, кривая г - для транзистора с шириной пристеночного диэлектрика равной 0 мкм (или без пристеночного диэлектрика), кривая д - для транзистора с шириной пристеночного диэлектрика равной 0,05 мкм.

На фиг. 1-7 приняты следующие обозначения:

1 - кремниевая подложка структуры КНИ;

2 - слой оксида кремния (захороненный) структуры КНИ;

3 - кремниевый слой (рабочий) структуры КНИ (карман или канал транзистора);

4 - слой нитрида кремния;

5 - слаболегированная область истока;

6 - слаболегированная область стока;

7 - слой оксида кремния;

8 - пристеночные области из оксида кремния;

9 - слой подзатворного оксида кремния;

10 - поликремниевый затвор;

11 - область сильнолегированного кремния (исток);

12 - область сильнолегированного кремния (сток).

Изобретение осуществляется следующим образом.

На пластине КНИ легируют слой кремния 3, создавая карман транзистора. Далее на пластину осаждают слой нитрида кремния 4 и посредством реактивного травления травят его по маске, соответствующей проектной норме (фиг. 1).

Затем посредством ионной имплантации формируют слаболегированную область кремния истока 5 и слаболегированную область стока 6 (фиг. 2).

Далее методом осаждения оксида кремния из газовой фазы и последовательной планаризации формируются области оксида кремния 7 над областями 5 и 6 (фиг. 3),:

Затем слой нитрида кремния 4 удаляют жидкостным травлением, осаждают слой оксида кремния посредством низкотемпературного осаждения из газовой фазы. Посредством реактивного ионного травления оксида кремния формируют пристеночные области 8 из оксида кремния (фиг. 4), ширина которых определяется временем травления оксида кремния и соответствует длине диффузии под затвор транзистора примеси в кармане при формировании сильнолегированных областей истока, стока.

Далее после химической очистки поверхности, формируют подзатворный оксид кремния 9 методом высокотемпературного окисления (фиг. 5).

Затем формируют затвор транзистора 10 посредством осаждения поликристаллического кремния и травления его по маске (фиг. 6).

Далее проводят безмасочное травление оксида кремния 7. формирование сильнолегированных областей кремния - истока 11 и стока 12 посредством ионной имплантации и высокотемпературного отжига (фиг. 7).

На фигуре 8 приведены кривые распределений напряженности электрического поля в подзатворном диэлектрике. Таким образом, напряженность электрического поля в транзисторе предлагаемой структуры (кривая 6 фиг. 9) ниже в 4 раза, чем в аналогичном транзисторе без формирования пристеночных областей из оксида кремния (кривая а фиг. 10).

Посредством численного моделирования были получены электрофизические параметры структуры n-канальных транзисторов с пристеночными областями из оксида кремния разной толщины, с концентрацией сильнолегированных фосфором областей истока и стока 10²⁰ см^-3, концентрацией бора в области кармана 10¹⁸ см^-3. При активации примеси посредством отжига при температуре 1050°С в течение 15 секунд в среде азота, сильнолегированные области истока и стока расширились посредством диффузии фосфора (Пирс К., Адамс А. и др., Технология СБИС: В 2-х кН, Кн.1. Пер. с англ / Под ред. С.Зи - М.: Мир, 1986. - 404 с., ил.) и зашли под затвор транзистора на 0,05 мкм каждая параллельно поверхности кремний - подзатворный диэлектрик.

В таблице 1 приведены характеристики транзисторов с разной шириной пристеночных областей из оксида кремния.

Транзистор с шириной пристеночной области из оксида кремния 0 мкм является транзистором без пристеночного оксида кремния.

При ширине пристеночного оксида кремния 0,05 мкм, равной ширине части сильнолегированной области истока или стока, зашедшей под область затвора вследствие диффузии примеси фосфора при температурном воздействии (активации), наблюдается минимальное значение напряженности электрического поля в подзатворном диэлектрике и максимальное значение крутизны входной характеристики (фиг. 9).

Таким образом, использование предложенного способа изготовления транзисторов позволяет увеличить напряжение пробоя подзатворного оксида кремния, уменьшению тока утечек через этот диэлектрик, тем самым увеличивая надежность ИС, изготовленных на таких транзисторах.

Способ изготовления МОП-транзистора на структуре «кремний на изоляторе», включающий формирование областей стока, истока, затвора, подзатворного диэлектрика, отличающийся тем, что на пластине «кремний на изоляторе» создают карман транзистора путем легирования слоя кремния, далее на пластину осаждают слой нитрида кремния и посредством реактивного травления по маске формируют область нитрида кремния, соответствующую проектной норме транзистора, затем посредством ионной имплантации формируют слаболегированные области истока и стока, далее методом осаждения оксида кремния из газовой фазы и последовательной планаризации формируют области оксида кремния на слаболегированных областях стока, истока, затем слой нитрида кремния удаляют жидкостным травлением, осаждают слой оксида кремния посредством низкотемпературного осаждения из газовой фазы, посредством реактивного ионного травления оксида кремния формируют пристеночные области из оксида кремния, ширина которых определена временем травления оксида кремния, далее после химической очистки поверхности, формируют на слое легированного кремния подзатворный оксид кремния методом высокотемпературного окисления, затем формируют затвор транзистора посредством осаждения поликристаллического кремния и травления его по маске, далее проводится безмасочное травление оксида кремния, формирование сильнолегированных областей истока и стока посредством ионной имплантации и высокотемпературного отжига, таким образом, чтобы диффузия примесей областей истока и стока заходила под область затвора на расстояние, равное ширине пристеночных областей из оксида кремния.