Способ изготовления интегральных схем

.Ы 2 1)з Н О 1 1 21/265 НТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)У- ". -й РЕТЕН ПИСАН электронной овано при изых приборов,налоговых и аналого овышение надеж , упрощение тех ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) А 1 оИу 1 арПап 1 ес МОЯМОЯ ЫроИаг 1 ес 1)ооду аког ч 1 Я о 1 Апа 1 од - Ведйа з 1 з 1 еп) з. .1 ЕЕЕ Тгапз оп Е 1 естгоп Оеч 1 се чо 1, ЕО, ЬВ 4, Арг 11, 1979, рр. 390-395.%11 соп - бай и-аеИ СМОЗ Ргосезз Ьу Г 0 И,)опвр 1 ап 11 оп ТесЬо 1 оду, 1.1 ЕЕЕ Тгапз, о 1 Еес 1 г, Оеччо 1. ЕО - 27, й 9, Яера, 1980, р.1979- 1795.(54)(57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЛ Ь Н ЫХ СХЕМ с К-МОП-структурами, включающий формирование на полупроводниковой подложке с низколегированными областями и- и р-типов проводимости.первой маски с.окнами под изолирующий диэлектрик и второй маски с окнами над областями подложки р-типа проводимости, ионную имплантацию примеси р-типа в области каналоограничения через сквозные окна в первой и второй масках, формирование изолирующего диэлектрика окислением поверхности подложки в окнах первой маски, удаление первой маски, формирование затворного окисла и поликремниевого затвора и формирование самосовмещенных с затвором областей истоков, стоков, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности МОП-транзисторов, упрощения технологии, создания и-р-и биполярных транзисторов с тонкой активной базой и поИзобретение относится технике и может быть исполь готовлении полупроводнико вышения плотности размещения элементов в ИС, формирую вторую маску с окнами под области подлегирования истоков, стоков рканальных МОП-транзисторов, диффузионных шин разводки, пассивной и активной базы биполярных транзисторов над областями поверхности подложки и-типа и с окнами под области подл егирования годложки и каналоограничения над областями поверхности подложки р-типа, проводят первую ионную имплантацию примеси р-типа проводимости через сквозные окна в первой и второй масках и проводят вторую ионную имплантацию примеси р-типа проводимости через окна второй маски сквозь материал первой маски с меньшей дозой и большей энергией, чем при первой ионной имплантации.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что первую ионную имплантацию проводят бором с энергией 30-40 кэВ и дозой 300 - 600 мкКл/сма вторую ионную импг,лантацию проводят бором с энергией 100- 150 кэВ и дозой 100 - 200 мкКл/см сквозь первую маску толщиной 0,23-0,33 мкм.3, Способ по пп, и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения выхода годных ИС, первую маску формируют послеательным нанесением на поверхно подложки слоев двуокиси кремния толщиной 500 - 700 А, поликристаллического кремния толщиной 0,08 - 0,12 мкм и нитрида кремния толщиной 0,10 - 0,14 мкм и фотогравировкой полученной трехслойной системы. в частности ИС цифроа цифровых систем,Цель изобретения ности МОП-транзистонологии, создание и-р-п биполярных транзисторов с тонкой активной базой и повышение плотности размещения элементов в ИС,На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводниковой подложки после формирования первой и второй масок и проведения первой и второй ионных имплантаций бора; на фиг.2 - поперечное сечение полупроводниковой структуры после формирования изолирующего и затворного диэлектриков и электрода затвора; на фиг.З - поперечное сечение готовой К-МОП-структуры и биполярного транзистора после формирования областей истоков, стоков МОП-транзисторов и эмиттера биполярного транзистора и формирования алюминиевых шин разводки.В соответствии с изобретением на полупроводниковой подложке, имеющей примыкающие к рабочей поверхности низколегированные области и-типа 1 и р-типа 2 проводимости, формируют первую маску, состоящую из слоев термической двуокиси кремния 3, пиролитического слоя поликристаллического кремния 4 и нитрида кремния 5, и вторую - фоторезистивную маску 6; Далее формируют области подлегирования подложки и диффузионных шин 7, а также области пассивной базы биполярных транзисторов 8 р+-типа проводимости первой и второй имплантациями бора с энергией 30 - 40 кэВ и дозой 300 - 600 мк Кл/см и с энергией 100-150 кэВ и дозой 100-200 мк Кл/см через сквозные окна в первой и второй масках и формируют области канало- ограничения 9, примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком, области подлегирования истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов 10, а также области активной базы биполярных транзисторов 11 с поверхностной концентрацией, меньше,.чем в областях р+-типа, ионной имплантацией бора с энергией 100,-150 кэВ и дозой "100-200 мк Кл/см через окна во второй маске сквозь материал первой маски см.фиг,1).После удаления второй маски формируют изолирующий диэлектрик 12 окислением поверхности подложки в окнах первой маски и после удаления первой маски формируют диэлектрик 13 затвора и электроды затвора 14 из сильно легированного фосфором слоя поликремния (см.фиг.2).Далее формируют области истоков, стоков и-типа проводимости 15, подлегирования подложки 16 и эмиттера биполярных транзисторов 17 и+-типа проводимости ионной имплантацией примеси и-типа через окна, образованные фоторезистивной маской,изолирующим диэлектриком и электродом затвора, и формируют области истоков, стоков р-типа 18 ионной имплантацией бора для достройки областей подлегирования ис токов, стоков р+-типа 10 до электрода затвора 14, На последнем этапе известным способом формируют межуровневый диэлектрик 19 и алюминиевые шины разводки 20.10 Поставленная цель повышения надежности МОП-структур достигается повышением уровня легирования в каналоограничительных областях р-типа проводимости, примыкающих к затворному 15 диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком под электродом затвора р-канального транзистора и, следовательно, повышением порогового напряжения паразитного и-канального транзистора с поли кремниевым затвором на краюизолирующего диэлектрика до 20 В и более, При этом ввиду того, что указанные канало- ограничительные области могут быть сформированы только под краями затворов и не 25 примыкают к областях и+-истоков, стоков повсему их периметру, в отличие от известного способа, по которому указанные области ка" налоограничения формируются по всему периметру границ областей истоков, стоков 30 и+-типа, определяемых границей окон впервой маске под изолирующий диалектрик, увеличение уровнялегирования.в областях каналоограничения не приводит к увеличению токов утечки и емкостей пери-.35 ферийных участков диффузионных переходов и+-сток-подложка.Кроме того, формирование областейподлегирования истоков, стоков р-типа перед формирование поликремниевых затво ров позволяет формироватьсамосовмещенные с затвором области истоков, стоков ионной имплантацией бора с малыми дозами и энергиями, например 10- 20 мкКл/см и 30 - 40 кэВ, на малую глубину,245 что дает следующие преимущества.Снижение уровня пзрззитного подлеги- .рования бором поликремниевого затвора и+-типа повышает стабильность пороговых напряжений.50 Снижение уровня легирования и глубины областей истоков, стоков р-типа, примыкающих к затвору, уменьшает эффект сквозного обеднения для транзисторов с малой длиной какала, увеличивая напряже ние смыкания и надежность транзистора иуменьшения паразитную емкость перекрытия затвор - сток,Уменьшен уровень дефектности областей истоков, стоков р-типа, вводимый имплантзцией и, следова ельне, снижены токифакторов (В ВФ), 5Способ позволяет получить относительно высоколегированные области подлегиро 10 15 20 25.и+-истоков, стоков и на большую глубину,причем в предлагаемом способе реализуется самосовмещение области эмиттера с об 35 утечек и шумов МОП-транзисторов без использования высокотемпературных (более 900 С) отжигов дефектов, ухудшающих стойкость МОП ИС к воздействию внешних вания подложки и диффузионные шины разводки р+-типа под изолирующих диэлектриком, что дает возможность, во-первых, снизить напряжение и ток включения паразитных тиристорных структур в К-МОП-схемах, что положительно сказывается на надежности ИС и, во-вторых, использовать эти Р+-шины разводки в качестве дополнительного уровня разводки, что дает возможность значительно сократить площадь кристалла ИС, занимаемую разводкой, особенно в нерегулярных К-МОП ИС с повышенной плотностью размещения элементов.Возможность реализации качественных биполярных и-р-и вертикальных транзисторов с тонкой активной базой без усложнения технологии достигается возможностью формирования области активной базы р-типа перед формированием ластью пассивной базы с повышенным уровнем легирования, что уменьшает токиутечки и емкости эмиттерного перехода.Структура биполярных вертикальных ир-и транзисторов реализуется только технологическими операцияминеобходимыми для К-МОП-структур. Интегральная сложность технологического процесса определяется количеством этапов фотомаскирования, которое равно 8, включая фотогравировку слоя пассивации, тогда как в известном способе их 9,Экономия одного процесса фотогравировки получается в связи с возможностью проведения операции формирования истоков., стоков р-типа ионной имплантацией бора с малой дозой (20-30 мкКл/см ) и на малую глубину без фоторезистивной маски.Проведение легирования областей через сквозные окна в фоторезистивной и нитридной масках имплантацией бора с энергией 30-40 кэВ, легирования областей сквозь нитридную маску толщиной 0,23- 0,33 мкм имплантацией бора с энергией 100-150 кэВ позволяет повысить воспроиэводимость концентрации примеси в областях, легированных имплантацией сквозь нитридную маску за счет того, что бор с энергией 30-40 кэВ практически не проходит через маску 0,23-0,35 мкм (средний про 40 45 5 О 55 бег 0,1 - 0,14 мкм), а бор с энергией 100 - 150 кэ В (средний пробег 0,32 - 0,45 мкм) почти не задерживается этим маскирующим слоем.Имплантация через сквозные окна в первой и вто 2 оой масках бором с дозой 300- 600 мкКл/см позволяет полУчить области с уровнем легирования более 5.10 1/см, причем повышение дозы более 600 мкКл/см нерационально в связи с резким повышением времени легирования и повышением дефектности имплантированных слоев, Имплантация бора через окна второй маски сквозь первую маску с дозой 100 - 200 мкКл/см позволяет получить оптимальные для областей активной базы уровни легирования 1.1018 1/смз.Использование в качестве первой маски трехслойной системы из двуокиси кремния толщиной 500-700 Д, поликремния толщиной 0,08 - 0,12 мкм и нитрида кремния толщиной 0,10 - 0,14 мкм позволяетминимизировать величину бокового окисления под. нитридом кремния, возрастающую при увеличении толщины окисного слоя под нитридом, что дает возможность повысить плотность размещения элементов вИС,уменьшить механические напряжения в системе кремний - окисел - нитрид кремния, возрастающие с уменьшением толщины окисла и увеличением толщины нитрида кремния, что повышает выход гордных и надежность ИС,снизить дефектность затворного окисла, связанную с так называемым эффектом Кюи, т.е. образованием паразитной пленки нитрида кремния на поверхности подложки под окисным слоем у краев нитридной маски и в местах ее проколов (дефектов),Пленка нитрида кремния препятствует нормальному росту затворного окисла, вызывая его повышенную дефектность. Подавление эффекта Кюи связано с наличием под нитридом слоя поликремния, препятствующего диффузии аммиака к поверхности кремния подложки. Кроме того, слой поли- кремния уменьшает кривизну поверхности подложки, возникающую после выращивания изолирующего окисла на краях нитридной маски из-за бокового окисления, что приводит к повышению пробивного напряжения затворного диэлектрика. Таким образом, подслой поликремния под нитридом повышает выход годных и надежность ИС,Согласно предлагаемому способу была изготовлена тестовая ИС, включающая и- и р-канальные МОП и биполярные транзисторы следующим образом, В низколегированной кремниевой подложке и-типа с удельным сопротивлением 4,5 Ом см и ори 109845610 20 50 55 ентацией поаерхности по плоскости 100 формируют низколегированную р - область ионной имплантацией бора с энергией 40 кзВ и дозой 4 мкКл/см с последующей разгонкой в атмосфере сухого кислорода в течение 16 ч при температуре 1150 С до глубины 7 мкм. При этом на поверхности подложки нарастает слой двуокиси кремния, который полностью удаляется, На очищенной поверхности подложки выращивают демпферный окисел толщиной 600+50 А термоокислением в сухом кислороде при 1000 С, осаждают слой поликристаллического кремния толщиной 0,10+0,02 мкм пиролизом моносилана при низком давлении и слой нитрида кремния толщиной 0,12+0,02 мкм пиролизом моносилана в атмосфере аммиака, проводят фотогравировку окон а первой маске под изолирующей окисел с травлением слоев нитрида кремния и поликремния.Далее формируют вторую фоторезистивную маску с окнами под области подлегирования истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов, диффузионных шин .разводки, пассивной и активной базы биполярных транзисторов над областями поверхности подложки и-типа и с окнами под области подлегирования подложки и каналоограничения над областями поверхности подложки р-типа. Проводят первую ионную имплантацию бора с энергией 40 кэВ и дозой 300 мкКл/см в области подлегироаания подложки, диффузионных шин и пассивной базы р+-типа проводимости через сквозные окна в нитридной и фоторезистивной масках и проводят вторую ионную имплантацию бора с энергией 100 кэВ и дозой 150 мкКл/см через окна в фоторезистивной маске сквозь слои нитрида кремния, поликремния и окисла суммарной толщиной 0,23 - 0,33 мкм в области подлегирования истоков, стоков р-типа проводимости, а области каналоограничения, примыкающие к затворному диэлектрику на границе с изолирующим диэлектриком, и в области активной базы и-р-и биполярных транзисторов, при этом в области, защищенные трехслойной первой масой, проходит 75 - 105 мкКл/см бора, а в открытые в первой игвторой масках области подложки 430 мкКл/см бора,Следует отметить, во-первых, с целью снижения дефектов в имплантированных бором областях подложки тонкий слой двуокиси кремния в первой маске не травился в данном примере, поэтому около 5 дозы бора, имплантированного с энергией 40 кэВ, задерживается этим окислом и, во-вторых, последовательность проведения имплантаций с малой и высокой энергиями неимеет значения аданном способе, поэтомуони проводятся с однократной загрузкойподложек в установку ионного легироаанияи перестройкой энергии легирования а сторону уменьшения или увеличения после на- .бора одной из доз,После удаления фоторезистивной маскипроводят термообработку подложек при1050 С в сухом кислороде 30 с для разгонкибора а глубь подложки и окисление поверхности подложки, не защищенной маскойнитрида кремния при 1000 С в течение 4 чво влажном кислороде для формированияизолирующего окисла толщиной 0,85 мкм. Врезультате формируются р -области подлегироаания подложки, диффузионных шин ипассивной базы биполярных транзисторов сглубиной 2 мкм и концентрацией более5.10 1/см и р-области каналоограниче 18 3ния, подлегирования истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов и активнойбазы биполярных транзисторов с глубиной1,5 мкм и концентрацией 1.101 1/смДалее удаляют нитрид кремния, поликремний и окисел первой маски, выращивают на месте первой маски затворныйдиэлектрик толщиной 9 СО А термоокислением при 1000 С и Формируют электрод затвора пиролитическим осаждениемполикристаллического кремния толщинойО,б мкм при низком давлении с последуйщим легированием его фосфором диффузией из РООз в потоке газа-носителя при900 С до Вз 20 - 30 Ом/о и фотогравиравкоиНа следующем этапе фотогравировкойпо затворному окислу с последующим дифФузией ФосФора из РОС 1 з в потоке газа-носителя при 900 С формируют областиистоков, стоков, подлегирования подложкии эмиттера биполярных транзисторов,Окисляют и+-области при температуре 900 -950 С во влажном кислороде до толщиныокисла 0,23 мкм, при этом над нелегированными фосфором областями подложки окисел дорастает до ." 0,14 мкм. Проводятионную имплантацию бора с энергией 40кэВ и дозой,20 мкКл/смг для Формированиясамосовмещенных с затвором областей истоков, стоков р-канальных МОП-транзисторов без использования Фотомаскирования,+а результате чего в области и -истоков. стоков попадает 2 мкКл/см бора, что не окагзыаает заметного влияния на иххарактеристики.На последнем эапе осаждают слоймежуроаней изоляции - Фосфорно-силикатного стекла - толщиной 1,7 мкм, проводяттермообработку ФСС для оплавления при 900 С, при этом окончательно формируются области истоков, стоков и-канальных МОП- транзисторов и эмиттера биполярных транзисторов на глубину - 1,0 мкм, и, следовательно, толщина активной базы биполярных транзисторов получается 0,5 мкм, что дает возможность получить биполярные транзисторы с хорошими частотными характеристиками. Проводят фотогравировку окон под омические контакты, осаждают на подлсокку слой алюминия, легированный кремнием вакуумным распылением алюминия и кремния, проводят фотогравировку алюминиевой разводки, осаждают слой защитного фосфорно-силикатного стекла и проводят фотогравировку контактных площадок.Изготовленные согласно приведенному примеру тестовые ИС имели следующие ха рактеристики элементов:Пороговые напряжения МОП-транзисторов, Ви-канальных1,6 р-канальных,ч 1,3Напряжения пробоя сток-подложка, Ви+-стоков13 р-стоков30Напряжение смыкания исток-сток для транзисторов с 3,5 мкм шириной затвора на пластине, Ви-канальных15 р-канальных15Пороговое. напряжение параэитного и- канального элемента с поликремниевым затвором под изолирующим диэлектриком, Впо поверхности р+-каналоограничительных областей80по поверхности дополнительных каналоограничительных областей40Время задержки и произведение задержки на потребляемую инвертором мощность на частоте до 9 МГц для инверторов с 3,5 мкм шириной затвора транзисторов на пластине и отношением ширины канала к длине 2 время задержки, нс/инвертор 2-4 произведение задержки на потребляемую инвертором мощность, пДж/инвертор 0,05 5 Сдвиг пороговых напряжений тестовыхи-МОП-транзисторов после термополевыхиспытаний 2 ч при 180 С), Вдля рабочих транзисторов не более 0,1-0,210для паразитных и-МОП-транзисторов не более 0,5 Коэффициент усиления биполярных и-ри-транзисторов15 при ОкэВ,А=10 мА более 30Плотность размещения элементов с учетом шин разводки по кольцевому генератору, инверторов/мм до 800Из приведенных характеристик видно, 20 что предлагаемый способ изготовления КМОП ИС, включающий всего 8 этапов фото- маскирования, позволяет реализовать в одном кристалле К-МОП структуры с высокими и стабильными пороговыми напряже ниями паразитных. МОП элементов,обуславливающими их повышенную надежность, и одновременно с высоким быстродействием и низким потреблением мощности, обусловленными малыми емко стями структур, а также - биполярные транзисторы с вертикальной р-структурой.Аналогично биполярным транзисторам предложенный способ позволяет реализовать) = ЕЕТ структуры с вертикальным кана лом п-типа, что представляет расширенныевозможности для изготовления высококачественных аналоговых и аналого-цифровых ИС по данному способу.Необходимо отметить, что предлагае мый способ изготовления К-МОП ИС приго.ден для изготовления К-МОС ИС в низколегированной подложке р-типа, что дает возможность повысить быстродействие К-МОД ИС и изготавливать биполярные 45 транзисторы с изолированными р-и переходом коллекторами.1098456 Составитель В,Долгополовктор О.Кузнецова Техред М.Моргентал Корре Н.Милюкова Заказ 1955 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 этельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 роизводствен