Способ изготовления полупроводниковых полевых структур с управляющим p-n-переходом и вертикальным каналом

Способ изготовления полупроводниковых полевых структур с управляющим p-n-переходом и вертикальным каналом

Реферат

 

Использование: микроэлектроника, технология производства полевых структур с управляющим p - n-переходом и вертикальным каналом. Сущность изобретения: на кремниевой подложке с эпитаксиальным слоем первого типа проводимости формируют многослойную диэлектрическую маску, проводят травление затворных областей плазмохимическим методом до образования щели, затем окисляют внутреннюю поверхность щели и удаляют со дна щели образовавшийся окисел. После легирования примесью второго типа затворных областей вновь удаляют образовавшийся окисел со дна щели и проводят эпитаксиальное осаждение кремния второго типа проводимости в щели до ее заполнения. Способ позволяет повысить выход годных за счет исключения диффузии легирующей примеси второго типа проводимости из области затвора и исключения подтравливания области затвора. 8 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники, преимущественно к технологии производства полупроводниковых приборов, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых полевых структур с управляющим p-n-переходом и вертикальным каналом. Такими структурами могут быть транзисторы, тиристоры, динисторы и другие. Целью изобретения является повышение выхода годных за счет исключения подтравливания области истока и исключения диффузии легирующей примеси второго типа проводимости за области затвора. Для достижения поставленной цели в способе изготовления полупроводниковых полевых структур с управляющим p-n-переходом и вертикальным каналом, включающем формирование на кремниевой подложке с эпитаксиальным слоем первого типа проводимости многослойной диэлектрической маски, легирование затворных областей примесью второго типа, травление затворных областей, локальное окисление затворных областей, удаление диэлектрической маски, легирование областей истоков примесью первого типа проводимости и формирование металлизации после формирования многослойной диэлектрической маски проводят травление затворных областей плазмохимическим методом до образования щели, затем окисляют внутреннюю поверхность щели и удаляют со дна щели образовавшийся окисел, после легирования примесью второго типа затворных областей вновь удаляют образовавшийся окисел со дна щели и проводят эпитаксиальное осаждение кремния второго типа проводимости в щели до ее заполнения. Способ позволяет формировать структуры с применением щелевой диэлектрической изоляции, разделяющей области противоположных типов проводимости. Изготовленные предлагаемым способом структуры имеют диффузионно-эпитаксиальный затвор, при этом рабочий канал полевых структур сформирован p⁺-затворными областями в объеме полупроводниковой подложки путем диффузии примеси в предварительно формируемую щель. В последующем объем щели заращивается методом локальной эпитаксии до планаризации поверхности. Наличие диэлектрика на боковой поверхности щели ограничивает область затвора размерами щели. Структуры, изготовленные по заявляемому способу, имеют меньшую величину и разброс сопротивления между истоком и стоком за счет значительного (в 4-5 раз) увеличения площади n⁺-области истока, которая может превышать величину канала между p⁺-областями. В данной конструкции отношение ширины истока к ширине канала всегда 1, что практически невозможно получить известным способом. Изготавливаемые структуры будут обладать более высоким напряжением пробоя затвор-исток, чем изготовленные по известному способу, т. к. p-n-переход затвор-исток располагается в объеме полупроводника и выходит не на поверхность кремния, а на диэлектрическую изоляцию, а расстояние от p- до n⁺-области регулируют изменением глубины щели. Следовательно, исключается снижение величины напряжения пробоя затвор-исток в результате последующих технологических операций. Область затвора отделена от области диэлектрической изоляцией, например SiO₂, SiO₂-Si₃N₄ или другой, обеспечивающей защиту боковой поверхности щели от возможной диффузии легирующей примеси затвора. Кроме того, формируемый плоский рельеф структуры если не исключает, то значительно снижает возможность разрыва фоторезиста, протрава слоя SiO₂ и последующее закорачивание перехода затвор-исток при металлизации. Способ обеспечивает более высокий процент выхода годных за счет исключения подтравливания области истока и исключения диффузии легирующей примеси второго типа проводимости из области затвора. В изготавливаемых предложенным способом структурах снижена плотность тока через исток за счет значительного увеличения площади контакта к истоку. На поверхности структуры в n⁺-области истока плотность тока всегда будет меньше, чем в объеме структуры в области канала. В результате уменьшается электромиграция материала металлизации в область p-n-перехода затвор-исток на границе раздела Si-SiO₂. Кроме того, пониженные плотности тока снижают реальную температуру p-n-перехода, что приводит к повышению надежности, т. к. эти параметры связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Анализ соответствия заявляемого технического решения критерию "новизна" показал, что способа, аналогичного заявляемому, в исследуемой и смежных областях техники не обнаружено. Анализ соответствия заявляемого технического решения критерию "существенные отличия" показал, что предлагаемый способ изготовления полупроводниковых полевых структур с управляющим p-n-переходом и вертикальным каналом реализуется на основе новой совокупности существенных признаков. Каждый из признаков, отдельно взятый, необходим, а вместе взятые с учетом их последовательности, достаточны, чтобы отличить предлагаемый способ от других способов аналогичного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в повышении процента выхода годных и улучшении электрических параметров структур. На фиг. 1 показана структура полевого транзистора после выращивания на кремниевой подложке 1 эпитаксиального слоя 2 и формирования на нем фотолитографией маски из слоев оксида 2 и нитрида 4 кремния; на фиг. 2 - структура после формирования щели 5 путем травления кремния в местах расположения затворов; на фиг. 3 - структура после окисления поверхности щели; на фиг. 4 - структура после стравливания слоя 6 окисла со дна щели и легирования вскрытых областей 7 кремния; на фиг. 5 - структура после эпитаксиального осаждения в области щели слоя 9; на фиг. 6 - структура после локального окисления вскрытых областей кремния (окисный слой 10); на фиг. 7 - структура после удаления маски и формирования области 11 истоков; на фиг. 8 - структура после формирования металлизации - формирования контактов 12, 13 к областям затвора и истока соответственно. П р и м е р. На сильнолегированной кремниевой подложке 1 с эпитаксиальным слаболегированным слоем 2 n-типа термически выращивают слой 3 окисла кремния толщиной 1200 и осаждают слой 4 нитрида кремния толщиной 1500 . Затем фотолитографией формируют двухслойную маску шириной d₁, равной 8 мкм (см. фиг. 1), для травления щели 5 шириной окна 4 мкм (шаг структуры составляет 12 мкм) путем плазмохимического травления нитрида 4 и окисла 3 кремния. Затем формируют щель 5 (см. фиг. 2) плазмохимическим травлением кремния 2 на глубину d₂, равную 5-6 мкм, достаточную для получения заданного запаса по V_{зи проб} с учетом глубин диффузии истока и боковой диффузии в данную часть щели 5. Для данного случая глубина щели 5 составляет 5,5 0,3 мкм. Затем проводят окисление (см. фиг. 3) на толщину окисного слоя 6, равную 0,3 мкм, с последующим травлением окисла на дне щели. Области затвора 7 формируют диффузией бора (см. фиг. 4). После удаления боросиликата стекла, формирующегося в процессе диффузии бора, заполняют щель локальной эпитаксией кремния p⁺-типа с концентрацией легирующей примеси, составляющей 5 10¹⁸-10¹⁹ см^-3 (см. фиг. 5). При этом область истока оказывается отделенной от области затвора диэлектрической изоляцией 8. Затем проводят локальное окисление кремния в парах воды при температуре, равной 950^оС, в течение 220-240 мин (см. фиг. 6). Толщина полученного окисла 10 составляет 0,8-1,0 мкм. Затем после удаления двухслойной маски нитрида кремния 4 и окисла кремния 3 в ортофосфорной и плавиковой кислотах, соответственно, проводят диффузию фосфора для формирования области 11 истока (см. фиг. 7). Ширина истока составляет 7-7,5 мкм. За пределами области, ограниченной щелевой диэлектрической изоляцией, полученный термический окисел имеет крутой профиль и обеспечивает эффективное маскирование p⁺-области при диффузии истока. Глубина диффузии истока составляет 0,05-0,1 мкм, поверхностное сопротивление 15-25 Ом/ . Затем на исток 11 наносят молибден или вольфрам 13, а с помощью фотолитографии в слое окисла кремния 10 в области затворной шины вскрывают окна к областям затвора и металлизацией формируют контакт 12 к области затвора (см. фиг. 8) из алюминия. В предлагаемом способе - отсутствует рельеф на поверхности пластины; - p-n-переход затвор-исток располагается в объеме полупроводника и защищен от влияния поверхности слоем кремния; - уменьшена электромиграция, электродиффузия; - уменьшена зарядовая нестабильность в слое окисла и на границе SiO₂-Si; - уменьшены токи утечки по поверхности между диффузионными шинами; - уменьшены дефекты в объеме кристалла; - уменьшен процесс образования интерметаллических соединений. При тех же параметрах диффузионного процесса и топологических размерах элементов технологический разброс высокоомной части затвор-исток составляет 5,0-8,0% вместо 35-40% у прототипа, и, следовательно, максимум распределения по параметру V_{зи проб} более узкий и находится на уровне 75-80 В. Предлагаемый способ имеет более значительные запасы по сопротивлению исток-сток, т. к. в нем отклонение ширины источника к ширине канала всегда 1, следовательно, и плотность тока через истоковый контакт более чем в 5 раз ниже, чем в прототипе. Предлагаемый способ позволит получить процент выхода годных значительно более высокий, чем способ-прототип, т. к. исключены подтравливание области истока и диффузия легирующей примеси затвора, кроме того: - уменьшены дефекты фотолитографии вследствие отсутствия рельефа на поверхности пластин; - уменьшен разброс и увеличены технологические запасы по параметрам R_си, I_{зи обр}, V_{зи проб}; - исключено влияние поверхности на выход годных по параметру V_{зи проб}. Реальный выход годных после функционирования на кристалле прототипа составляет приблизительно 4% . Выход годных по заявляемой технологии на этапе технологической обработки по оценочным данным должен быть не менее 11% , а на этапе отработанного серийного производства должен быть более 18-20% . (56) Авторское свидетельство СССР N 1215546, кл. H 01 L 21/337, 1982. Авторское свидетельство СССР N 1457723, кл. H 01 L 21/18, 1987.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОЛЕВЫХ СТРУКТУР С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ И ВЕРТИКАЛЬНЫМ КАНАЛОМ, включающий формирование на кремниевой подложке с эпитаксиальным слоем первого типа проводимости многослойной диэлектрической маски, легирование затворных областей примесью второго типа, травление затворных областей, локальное окисление затворных областей, удаление диэлектрической маски, легирование областей истоков примесью первого типа проводимости и формирование металлизации, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных за счет исключения подтравливания области истока и исключения диффузии легирующей примеси второго типа проводимости из области затвора, после формирования многослойной диэлектрической маски проводят травление затворных областей плазмохимическим методом до образования щели, затем окисляют внутреннюю поверхность щели и удаляют со дна щели образовавшийся окисел, после легирования примесью второго типа затворных областей вновь удаляют образовавшийся окисел со дна щели и проводят эпитаксиальное осаждение кремния второго типа проводимости в щели до ее заполнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8