Способ изготовления полупроводниковых структур с высокоомными диффузионными слоями

Способ изготовления полупроводниковых структур с высокоомными диффузионными слоями

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРПВОЛНИКОВЫХ СТРУКТУР С ВЫСОКООИНЫМН ЛИЛ УЗИОННЫНИ слоями, включающий формирование высоколегированной области в подложке, вытравливание средней ее части через маскирующее Ь„,,, .Г- Тг/ч-.л j покрытие и термическую обработку в нейтральной среде, отличающ и и с я тем, что, с целью упрощения способа и повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев, одновременно с вытравливанием средней части высоколегированной об ласти осуществляют вытравливание средней части подложки на глубину О,2-,0.мкм, а высоколегированную область формируют с концентрацией легирующей примеси от 1-10® см до концентрации, которая на 2-6 порядков превышает концентрацию примеси в подложкео

(gg)s Н 01 1. 21/22

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕС КИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕ НТ CCC P) Н A ВТСРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3256076/25 (22) 05.03,01 (6 6) 15.07.93, Бюл. 5" 26 (72) В.Н.Глущенко (56) Майер Лж. и др. "Ионное легирование полупроводников, пер. с англ.

М. изд. "Мир", 1973, с, 252-25Р.

Авторское свидетельство СССР

Р 761601, кл. Н 01 !. 21/22, 1979. (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ВЫСОКООМНЫМИ / ИйбУЗИОННЫМИ СЛОЯМИ, включающий формирование высоколегированной области в подложке, вытравливание средней ее части через маскирующее

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов и может быть использовано при изготовлении диффузионных резисторов, диодов, биполярных и МЛП-транзисторов, а также интегральных схем.

Известен способ изготовления полу"роводниковых структур с высокоомными диффузионными слоями, включающий создание на кремниевой подложке маскирующего слоя из двуокиси кремния, вскрытие фотогравировкой окон в маскирующем слое и формирование через них в подложке высоокомных областей путем ионной имплантации с последуюцеи термической активацией и разгонкой при« меси на заданную глубину.

Недостатком способа является низкая воспроизводимость параметров высокоомных диффузионных слоев получаемых полупроводниковых структур, „„SU ÄÄ 986229 А1 покрытие и термическую обработку в нейтральной среде, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев, одновременно с вытравливанием средней части высоколегированной области осуществляют вытравливание средней части подложки на глубину

0,2->>,0,мкм, а высоколегированную область формируют с концентрацией легирующей примеси от 1 ° 10 см до концентрации, которая на 2-6 порядков превышает концентрацию примеси в подложке. определяемая возможностью воспроизведения установками ионного легирования малых доз (порядка нескольких мкл и менее) и малых энергий внедрения примесей, что является технологически сложной задачей. Кроме того, полученные ионным легированием, имеют значительно большую дефектность кристаллической решетки, чем лиффузионные слои, вплоть до аморфизации кремния.

Наиболее близким техническим решением. является способ изготовления полупроводниковых структур с высокоомныии . диффузионными слоями, включающий формирование высоколегированной области в подложке, вытравливание средней ее части через маскирующее покрытие и термическую обработку в нейтральной среде, 986229

Цель изобретения - упрощение способа и повышение воспроизводимости параметров диффузионных слоев.

Поставленная цель достигается тем, 5 что при способе изготовления полупроводниковых структур с высокоомными диффузионными слоями, включающем формирование высоколегированной области в подложке, вытравливание средней 10 ее части через маскирующее покрытие и термическую обработку в нейтральной среде, одновременно с вытравливанием срелней части, высоколегированной области осуществляют вытравливание ,средней части, подложки на глубину

0,2->> мкм, а высоколегированную область формируют с концентрацией легирующей примеси от 1 10 см до концентрации, которая на 2-6 порядков превышает концентрацию примеси в подложке.

Вытравливание подложки на указанную глубину позволяет с высокой степенью точности проконтролировать тол-..25 щину создаваемых высокоомных слоев.

Граничные значения глубины травления средней части подложки в пределах 0,2-ч мкм за пределами высоко" легированной области обусловлены 0 прежде всего необходимостью повышения воспроизводимости,. то есть получения

or процесса к процессу минимального разброса параметров высокоомных диф» фузионных слоев: их.поверхностного 35 сопротивления R> и глубины залегания, более полно характеризующих воспроизводимое интегральное присутствие электрически активной примеси в градиентное ее распределение. 40

Минимальная величина травления

0,2 мкм - это тот необхолимый минимум травления, который позволяет гарантировано вытравить высоколегированный слой. По мере его последователь" ного стравливания поверхностное сопротивление слоя экспоненциально воз" растает, а затем резко падает до сопротивления подложки, если примесь .противоположного подложке типа проводимости, или возрастает без скачкообразного изменения также до сопротивления подложки, если примесь того же типа проводимости, что и подложка, так что критерием полного удаления высоколегированного слоя является контролируемое и. характерное для годложки ее поверхностное или удельное сопротивление, Кроме того, травление глубиной менее 0,2 мкм помимо возможных наложений остаточной примеси высоколегированного слоя увеличивает разброс диффузионных параметров, обусловленный менее контролируемым попаданием примеси на оттравленную поверхность исходной подложки из-за ее испарения в окружающую нейтральную среду.

По-видимому, увеличение глубины трав-. ления более 0,2 мкм, величиной от нижней границы соизмеримой по толщине с поверхностным маскирующим диэлектрическим покрытием, создает более ограниченный объем для воспроизводимого попадания примеси на открытую поверхность и последующую ее диффузию вглубь подложки, что и позволяет уменьшить разброс основного диффузионного параметра поверхностного сопротивления высокоомного .(1,2 кОм) диффузионного слоя в пределах + 203.

По мере увеличения глубины травления подложки до 4 мкм сохраняется воспроизводимое получение сопротивления и глубины залегания диффузионного слоя. Однако, далее так же как возрастает сопротивление до нескольких килоОм, так и разброс диффузионных параметров до +303, кроме того, дальнейшее увеличение глубины травления более 6 мкм создает трудности: с проведением фотолитографических операций по диэлектрическому покрытию, с созданием неразрывной металлизированной разводки, и в целом, является нецелесообразным.

Высоколегированный слой чаще всеf o получают средствами термической диффузии или ионного легирования, и установленная минимальная концентрация 1 ° t0 см является тем парамет!

8 ром, который также необходимо воспроизводимо получать, Меньшие значения, концентрации, чем 1 ° 10 см дают также увеличенный разброс 153, что в свою очередь, не позволяет сохранить необходимый разброс диффузионных параметров, всегда имеющий больший разброс,"чем сам источник диффузии-высоколегированный слой.

В конкретном примере высоколегированный слой, полученный загонкой бора с поверхностным сопротивлением

20 Ом, соответствует концентрации легирующей примеси 5 10 см .

986229

Большая, чем ° 10 см степень легирования примесью высоколегированного слоя, вплоть до максимальной ее растворимости в материале полупроводниковой подложки, является предпочтительной рля более воспроизводимого получения дишшузионных слоев.

Причем разница в два порядка допускается минимальной, так как в противном случае дополнительные трудности создаются взаимной нейтрализацией примеси или неуправляемой ее компенсацией, Верхний предел - шесть порядков определяет максимальную возможную раз- 15 ность легирования необходимого слоя и подложки.

На фиг,1-4 представлена последовательность операций применительно к изготовлению полупроворниковых приборов типа диодов, резисторов и биполярных транзисторов, а на шиг.5-8 для

MW-транзисторов со встроенным кана" лом.

На фиг,! показана структура после шормирования в (на) подложке 1 высоколегированной области 2 через окно в маске 3 преимущественно в окислительной среде либо с последующим окислением, в результате чего на 30 поверхности структуры образуется ди-. электрический (окисный) слой 4. аметим, что область 2 может быть получена ионной имплантацией, либо дидФузией, либо зпитаксиальным нара- З5 щиванием. Эта область может быть как п-типа, так и р-типа. В любом случае процесс ее образования происходит в таких условиях, чтобы обеспечить концентрацию легирующей примеси на 2-6 щ0 порядков выше, чем в подложке и не менее 1 ° 10 з см .

На шиг.? и 6 показана структура после селективного вытравливания средней части высоколегированной области

2 и порложки на глубину 0,2-4,0 мкм.

Поперечное сечение вытравленного углубления 5 рля диоров, резисторов и биполярных транзисторов имеет преимущественно прямоугольную Форму, а для 50

ИЛП-транзисторов - преимущественно

V-образную оорму для получения большей длины канала.

На шиг.3 и 7 показана структура после проведения высокотемператур- 55 ной обработки ее в нейтральной среде, в результате которой происхорит проникновение легирующей примеси под основание углубления с образованием высокоомного слоя толщиной О,,: мкм и частичной разгонкой примеси в слое 3.

На йиг.4 и 8 показана окончательно сФормированная структура с дизлект" рическим слоем 6 поверх высокоомного слоя 7 и участкани металлизации 8.

1-,иже npoèÿâoëèòñÿ примеры конкретного осуществления способа при изготовлении г1ПП-транзистора.

Пример 1, Пластину кремния и-типа проводимости с удельным сопро" тпелением 4 5 nH ° см (концентрация примеси 1,0 10 см ), ориентирован(5 -3 н, K) по кристаллограпической плоскости $100/ oi:исляют в комбинированной среде сухого и увлажненного кислорода при температуре 1323 К до толщины слоя окисла 2-0,6 мкм. В выращенном термическом слое окисла кремния с помощью Аотогравировки вытравливают окно под области истока и стока.,Риф узию бора проводят в рве стадии. Источником примеси служит борный ангидрид В Оз. Первую стадию диййузии (за гонку) проводят при температуре 1873 К до получения поверхностного сопротивления ди узионного слоя порядка 20 Ом/квадрат.

После удаления боросиликатного стекла в смеси штористоводородной кислоты и воды в соотношении 1:4 проводят низкотемпературное осаждение максирующего покрытия в виде пиролитического слоя двуокиси кремния толщиной 0,6 мкм на установке

УВП-2 разложением моносилана в плаэ" ме кислородного разряда при температуре порядка 423К. Это осаждение необходимо для сохранения первоначальной концентрации примеси в высоколегированной области на уровне не менее 1 10 всм, поскольку ме" нее легированный слой не обеспечивает необходимого автолегирования из-за низкой летучести примеси.

Г помощью пптолитограАии вскрывают окно в окисле кремния в области затвора, через которое производят вытравливание высоколегированной области и материала подложки с образованием V-образной канавки, разделяющей высоколегированную область на области истока и стока. Травление производят в щелочном травителе состава КОН : M 0 = 1-6, залитом для уменьшения йспарения изопропиловым спиртом, при температуре порядка

347К на глубину 0,2 мкм и максималь986229 ную 4 мкм. Термообработку проводят в нейтральной среде при 1273К в течение 30 мин. Это позволяет в первом случае получить Р, = (1-1,4) кОм/П.

Для глубины травления 4 мкм получают (0,9-1,5) кОмlп, т.е. с возрастанием разброса от среднего значения

1,2 кОм «+ 301.

Такой уровень разброса получают 1О при ионной,позированной имплантации а значит преимущества диффузионного высокоомного слоя очевидны. ,Лалее в сухом кислороле при температуре 1123 K получают на поверхности v-обраяной канавки слой подзатворного окисла кремния толщиной

0„1 мкм.

После этого фотогравировкой вскрывают контактные окна к областям истока и стока транзистора„

На планетарной установке УВН-2М напыляют алюминий толщиной порядка

1,5 мкм с равномерным запылением поверхностного рельефа. Фотогравировкой 25

Формируют алюминиевую разводку к истоку, затвору и стоку. После этого для уменьшения перехолного сопротивления металл-полупроводник производят вжигание алюминия при температуре ЗО

723К в течение 10 мин„

Полученный таким образом MW"òðàíяистор со встроенным р-каналом имеет пороговые напряжения от 0,5 до 5 В в зависимости от его степени легирования, Пример 2, С концентрацией

1 10 @ см высоколегированного слоя.

Этот слой получают термической афганкой бора ия ВгПз при T = 1183 К с и = 10

150 Ом/0, термической раягонкой бора при температуре 1423 V, в комбинированной среде сухой и увлажненной водяными парами кислорода глубину залегания диффузионного слоя ловодят 45 до 3 мкм с R = 500 + 70 Омlп, что соответствует концентрации легирующей примеси 1 ° 10 см

Получение меньших значений степени диффузионного легирования связано с резко возрастающим разбросом - более 15"ь, Очевидно, что больший разброс самого источника диффузии высоколегированного слоя приводит к значительно большему разбросу высокоомного диффузионного слоя, полученного термической обработкой в нейтральной среде. В рассматриваемом примере поверхностное сопротивление после термообработки диффузионного слоя в выт" равленной срелней части подложки на глубину 4 мкм составляет 20-40 кОм, с,постаточно большим разбросом. Однако получение обычным термическим способом чисто диффузионных слоев такого уровня с указанным разбросом вообще не представляется возможным, хотя такие значения также необходимы.

Вытравливание материала подложки на глубину 0,2-4 мкм одновременно с вытравливанием средней части высоколегированной области с концентрацией примеси на 2-6 поряr ков выше концентрации примеси в полложке обеспечивает при высокотемпературном отжиге образование высокоомных слоев толщиной 0,21,5 мкм с высокой воспроизводимостью толщины этих слоев, и, следовательно, с высокопроияводимыми значениями их удельного сопротивления. Этот

Фактор имеет большое значение как при создании высокоомных диффузионных резисторов, так и базы биполярных транзисторов, а также встроенного канала Hflll-транзисторов строго контролируемой толщины.

Способ предусматривает выполнение слоев как п-типа, так и р-типа проводимости с широким диапазоном вос» проияведения значений удельного сопротивления в определенном диапазоне, причем разброс номиналов поверхностного сопротивления этих слоев снижен с 30 до 203.

986229

Составитель Л.Бонкина

Редактор Г.Берсенева Техред М.Иоргентал Корректор А.Иотыль аказ 2831) Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Б-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101