ТРАНЗИСТОР СО СТРУКТУРОЙ МЕТАЛЛ-ОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК НА ПОДЛОЖКЕ КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ
TRANSISTOR WITH METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR STRUCTURE ON SILICON-ON-INSULATOR SUBSTRATE

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем на комплементарных транзисторах со структурой метал-окисел-полупроводник (КМОП ИС), с использованием подложек кремний на изоляторе (КНИ).
Интегральные схемы на комплементарных транзисторах на основе структур метал-окисел-полупроводник на подложках кремний на изоляторе (КМОП ИС КНИ) по своим характеристикам имеют ряд преимуществ по сравнению с КМОП ИС, изготовленными на подложках объемного кремния: высокое быстродействие, низкое энергопотребление, возможность более плотного размещения элементов в схеме, надежность работы в условиях воздействия ионизирующего излучения.
В интегральных схемах КМОП БИС КНИ возможны два режима работы МОП транзисторов:
- режим полного обеднения(full depletion);
- режим частичного обеднения (part depletion) активного приборного слоя кремния.
Последний режим предусматривает работу транзисторов и методы проектирования схем на их основе близкими к работе и проектированию схем на основе объемного кремния, что создает преимущества при переходе технологии интегральных схем на подложках объемного кремния к интегральным схемам на подложках КНИ.
В то же время режим работы с частичным обеднением связан с эффектом «плавающей подложки» (flow body), который обусловлен накоплением неосновных носителей в области «кармана» (body) изолированного островка кремния метал-окисел-полупроводник (МОП) транзистора и следствием которого являются изменения вольт-амперной характеристики (ВАХ) МОП транзистора (kink effect).
При ионизирующем излучении недостатки надежности МОП транзистора на КНИ структуре обусловлены эффектом проводящего канала, возникающего в донной части «кармана», индуцированного зарядом ловушек, расположенных на границе изолирующего слоя окисла и приборного слоя.
Для подавления эффекта «плавающей подложки» необходимо сформировать связь контакта с подложкой (tie body) желательно с малым сопротивлением, обеспечивающим быстрый отвод неосновных носителей.
Эта задача решается в нижеописанных способах.
Известны способы формирования в областях истока диода, имеющего ток утечки, достаточный для отвода неосновных носителей. Такой режим обеспечивается за счет дополнительной имплантации ионов ксенона (Xe) (Патент WO №03083937А2, кл. H01L 21/84, опублик. 12.01.2003) или ионов индия (In) (Патент US №6686629 B1, кл. H01L 29/76, опублик. 03.02.2004)
Недостатками этих способов является:
- Сложность реализации процесса имплантации ионов Xe, In, не вписывающихся в традиционную технологию;
- Трудность управления током утечки, зависящего от многих факторов: исходной структуры, процесса имплантации этих элементов и последующего отжига;
- Достаточно высокое сопротивление в силу нелинейной характеристики диода.
Известны способы создания контакта за счет дополнительной области островка кремния, легированной той же примесью, что и «карман», имеющей диффузионный контакт к карману и выход на планарную поверхность исток-стока МОП транзистора. (Патенты US №2005173764 A1, кл. H01L 21/425, опублик. 11.08.2005 и Патент US №6353245 B1, кл. H01L 27/01, опублик. 05.03.2002).
Область контакта соединяется с истоком транзистора за счет силицида, формируемого на планарной поверхности истока и контакта.
Недостатком данной конструкции является необходимость дополнительных областей, которые увеличивают площадь транзистора, а также уменьшают эффективную ширину канала транзистора, что ухудшает его вольт-амперную характеристику (ВАХ).
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является транзистор со структурой метал-окисел-полупроводник на подложке кремний на изоляторе, включающий области мелкощелевой изоляции, область кармана ретроградного профиля распределения примеси типа 2 глубиной на всю толщину слоя кремний на изоляторе, область поликремниевого затвора, легированного ионами примеси типа 2, области слаболегированных примесью типа 1 (LDD), спейсер, область стока, сформированную с одной стороны затвора высоколегированными ионами примеси типа 1 глубиной на всю толщину слоя кремний на изоляторе, область истока, сформированную с другой стороны затвора высоколегированными ионами примеси типа 1 глубиной на часть толщины слоя кремний на изоляторе и область контакта к карману, сформированного примесью типа 2, электрически соединенная с истоком за счет силицида (см. Патент US №626630 B1, кл. H01L 29/00, опублик. 31.07.2001).
В данной конструкции контакт к карману осуществляется за счет протяженной области «кармана», расположенной под истоком и имеющей выход на планарную поверхность, а электрическое соединение с истоком происходит за счет силицида, сформированного на планарной поверхности.
18
-3
В данной конструкции частично решается задача подавления эффекта донного транзистора. Это достигается за счет повышения концентрации примеси кармана вблизи барьерного окисла до 10 см при формировании ретроградного кармана и увеличения длины канала паразитного донного транзистора за счет протяженной области «кармана», расположенной под истоком.
Недостатком описанной конструкции является: необходимость дополнительной площадки контакта на планарной поверхности, что увеличивает площадь транзистора и, следовательно, уменьшают плотность размещения элементов схемы.
Высокое сопротивление контакта к карману за счет протяженной области кармана, по которой отводятся неосновные носители.
Трудность обеспечения обратного профиля легирования кармана с высоким уровнем легирования на донной части транзистора при малой толщине приборного слоя кремния, так как в результате высокотемпературных обработок при формировании транзисторной структуры неизбежно перераспределение примеси. При этом повышается концентрация примеси на поверхности приборного слоя, что приводит к изменению вольт-амперной характеристики (ВАХ) основного транзистора.
Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении суммарной планарной площади областей исток-контакт, за счет расположения области контакта под областью истока;
- в уменьшении электросопротивления контакта к карману, за счет сокращения пути протекания неосновных носителей из области кармана к области силицида, а также снижения контактного сопротивления силицида к высоколегированной области контакта к карману;
- повышения радиационной стойкости за счет высоколегированной области контакта к карману, которая предотвращает возникновение проводящего канала донного паразитного транзистора в этой части кармана.
Указанный технический результат достигается тем, что в транзисторе со структурой метал-окисел-полупроводник на подложке кремний на изоляторе, включающей области мелкощелевой изоляции, область кармана ретроградного профиля распределения примеси типа 2 глубиной на всю толщину слоя кремний на изоляторе, область поликремниевого затвора, легированного ионами примеси типа 2, области слаболегированных примесью типа 1 (LDD), спейсер, область стока, сформированную с одной стороны затвора высоколегированными ионами примеси типа 1 глубиной на всю толщину слоя кремний на изоляторе, область истока, сформированную с другой стороны затвора высоколегированными ионами примеси типа 1 глубиной на часть толщины слоя кремний на изоляторе и область контакта к карману, сформированного примесью типа 2, электрически соединенная с истоком за счет силицида, область высоколегированного контакта к карману располагается под областью истока и имеет ширину, равную ширине истока, при этом электрическое соединение силицидом областей истока и контакта к карману осуществляется в канавке, сформированной в области истока глубиной, равной или превышающей глубину области истока и шириной, равной ширине истока.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг 1 изображена конструкция МОП КНИ транзистора в сечении, на фиг.2 изображена конструкция МОП КНИ транзистора в плане. На фиг.3-9 представлены основные этапы реализации процесса изготовления n-канального транзистора. На Фиг.10 - моделируемая двумерная структура ВАХ-МОП КНИ транзистора (мелкий исток планарный контакт к карману); на фиг.11 представлена ВАХ МОП КНИ транзистора для различных доз облучения в соответствии с таблицей 1; на фиг.12 представлена моделируемая двумерная структура МОП КНИ транзистора. На Фиг.13 представлена ВАХ МОП КНИ транзистора для различных доз облучения в соответствии с таблицей 1.
Транзистор со структурой метал-окисел-полупроводник на подложке кремний на изоляторе включает в себя следующие области: кремниевой подложки носителя 1, барьерного окисла (изолятора) 2, приборного кремния на изоляторе 3, изолирующей канавки, заполненной окислом 4, области кармана, легированной донорной (тип1) или акцепторной (тип 2) примесью, имеющей ретроградное распределение по толщине кремния на изоляторе 5, область затвора, легированного той же примесью, что и область кармана 6, область слаболегированного стока (LDD) примесью типа противоположной карману (тип 2) или (тип 1) 7, область спейсера 8, область высоколегированного стока, сформированную с одной стороны затвора ионами примеси (тип 2) или (тип 1), глубиной на всю толщину слоя кремния на изоляторе 9, область высоколегированного истока, сформированную с другой стороны затвора ионами примеси (тип 2) или (тип 1), глубиной на часть толщины слоя кремния на изоляторе 10, область высоколегированного контакта к карману, сформированного примесью того типа, что и карман, и имеющей ширину S равную ширине истока 11, область канавки, расположенной в области истока, имеющей глубину равную или превышающую глубину истока, ширину S, равную ширине истока 12, область силицида, сформированного на поверхности стока, истока, канавки, затвора 13.
Наиболее чувствительным к ионизирующему излучению является n-канальный транзистор, так как в этом случае именно положительный заряд в барьерном окисле индуцирует инверсный канал паразитного донного транзистора.
Процесс изготовления n-канальный транзистора содержит следующие основные этапы реализации.
13
-2
12
-2
После формирования мелкощелевой изоляции методом ионного легирования (ИЛ) через фоторезистивную маску (ФРМ) инов бора с режимом 70 кэВ, 1,2×10 см, 15 кЭв, 7×10 см создается область кармана (6) (предпочтительно ретроградного);
13
-2
13
-2
После формирования областей затвора, легированного фосфором, создаются слаболегированные области исток-стока (NLDD), методом ИЛ через ФРМ ионами фосфора с режимами 8 кэВ, 8×10 см или мышьяка 80 кэВ, 8×10 см;
15
-2
15
-2
15
-2
После формирования областей спейсера (8) создаются высоколегированные области стока методом ИЛ через ФРМ ионами фосфора с режимами 60 кэВ, 3×10 см или мышьяка 180 кэВ, 3×10 см; и 30 кэВ, 1×10 см;
15
-2
15
-2
15
-2
Создаются области высоколегированного мелкого истока методом ИЛ через ФРМ ионами фосфора с режимами 15 кэВ, 3×10 см или мышьяка 110 кэВ, 3×10 см; и 30 кэВ, 1×10 см;
15
-2
Создаются области контакта к карману методом ИЛ через ФРМ ионами бора с режимами 10 кэВ, 3×10 см;
Создается область канавки методом плазмохимического травления кремния ПХТ (газовая смесь C12+BC12+N2) через ФРМ глубиной h2, равной или больше глубины мелкого истока h1, и шириной, равной ширине S мелкого истока.
После быстрого термического отжига областей исток-стока (1050°C 15 с) создается омический контакт к карману и истоку за счет формирования силицида титана одновременно на поверхностях затвора-истока-канавки-стока.
Методом компьютерного (программа TCAD) технологического моделирования была проведена сравнительная оценка радиационной стойкости различных конструктивных вариантов МОП КНИ n-канальных транзисторов.
Результаты моделирования представлены на Фиг.10-13 и в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Параметры ВАХ МОП КНИ транзистора и моделируемых доз облучения
№ ВАХ
Заряд в окисле, [1/см<sup>2</sup>]
Доза облучения, [кРад]
1
0
0
2
7,19×10<sup>13</sup>
248
3
1,44×10<sup>14</sup>
496
4
2,16×10<sup>14</sup>
744
5
2,88×10<sup>14</sup>
992
В таблице 2 представлены значения токов стока Id при предпороговом значении напряжения на затворе Ugs=0,25 В, полученных из представленных ВАХ для различных конструктивных вариантов.
Таблица 2
Значения тока стока для разных вариантов конструкций МОП КНИ транзистора при напряжении затвора 0,25 В
Доза облучения, [кРад]
Тока стока Id, [A]
Известный
Изобретение
0
5×10<sup>-10</sup>
5×10<sup>-10</sup>
248
5×10<sup>-10</sup>
5×10<sup>-10</sup>
496
5×10<sup>-10</sup>
5×10<sup>-10</sup>
744
8×10<sup>-7</sup>
5×10<sup>-10</sup>
992
6×10<sup>-4</sup>
5×10<sup>-10</sup>
Из таблицы следует, что в конструктивном варианте по изобретению ток сток сохраняет свое значения при всех рассматриваемых дозах облучения. В известных конструкциях изменения начинаются при дозах более 500 кРад. Это подтверждает более высокую радиационную стойкость конструкции по изобретению.