Способ изготовления КМОП-структур
METHOD OF MANUFACTURING CMOS STRUCTURES

Предлагаемое изобретение относится к области микроэлектроники, а именно технологии изготовления КМОП-структур, используемых в преобразовательных и цифровых устройствах. Техническим результатом является формирование единого технологического цикла изготовления элементов управляющей схемы маломощного и мощного высоковольтного силового транзисторов с целью получения интеллектуального силового ключа любой сложности на одном кристалле. Благодаря внесению поправок в базовые операции, возможно совершенствование параметров КМОП-структур и характеристик изготавливаемых интегральных схем на более ранних производственных этапах, что повышает рабочие параметры МОП-транзисторов и надежность, улучшает характеристики интегральных схем и расширяет их функциональные возможности.
Известен способ изготовления интегральных схем на МОП-транзисторах, включающий следующую последовательность операций: формирование в подложке первого типа проводимости областей второго типа проводимости, противоканальных областей, диэлектрической изоляции, затворного диоксида кремния, осаждение слоя поликристаллического кремния, формирование затворных областей n- и р-канальных транзистров, разделительного диоксида кремния на вертикальных стенках затворов, областей стоков и истоков второго типа проводимости в подложке первого типа проводимости, областей стоков, истоков первого типа проводимости в областях второго типа проводимости, изолирующего диоксида кремния осаждением при пониженном давлении из кремнийорганических соединений, вскрытие контактных окон и металлизацию [1]. На фиг. 1 показано поперечное сечение КМОП-структуры, поясняющее способ [1], где 1 - кремниевая подложка КЭФ-4,5 (100), 2 - карман р-типа, 3 - диэлектрическая изоляция, 4 - противоканальные области р-типа, 5 - затворный диоксид кремния, 6 - поликремниевый затвор, 7 - комбинированный разделительный диоксид кремния, включающий термическую очистку пластин в трихлорэтилене и кислороде, осаждение диоксида кремния из тетраэтоксисилана (ТЭОСа) и его термический отжиг в трихлорэтилене и кислороде, 8 - стоки и истоки р-канального транзистора, 9 - стоки и истоки n-канального транзистора, 10 - комбинированный изолирующий диоксид кремния, включающий термическую очистку пластин в трихлорэтилене и кислороде, осаждение диоксида кремния из ТЭОСа и его термический отжиг в трихлорэтилене и кислороде, 11 - алюминиевые контакты к стоковым и истоковым областям n-канального транзистора, 12 - алюминиевые контакты к стоковым и истоковым областям р-канального транзистора.
Недостаток прототипа заключается в формировании р- и n-МОП-транзисторов на общей подложке, что приводит к ограничению функциональных возможностей КМОП-структур, отсутствию возможностей разработки мощных высоковольтных MOSFET ключей со схемой управления, интегрированных на одном кристалле.
Целью изобретения является создание в едином технологическом цикле КМОП-структур, р-МОП транзисторов в изолированном кармане и интегрированных N-MOSFET транзисторов для увеличения рабочих напряжений, расширения функциональных возможностей и увеличения выходной мощности (нагрузочной способности).
Поставленная цель достигается тем, что в базовую КМОП-технологию с самосовмещенным поликремниевым затвором внедрены технология изготовления «карман в кармане» для создания р-МОП-транзисторов с изолированным карманом n-типа и технология вертикального N-MOSFET транзистора, где исходным материалом служат эпитаксиальные структуры типа:
2
2
2
2
2
2
2
2
*
++
++
Для достижения указанного технического результата предлагается следующая последовательность изготовления кристалла, включающая следующие операции: первое окисление, плазмохимическое травление SiO, «I» фотолитография, травление SiO, ионное легирование «р-карман», перераспределение «р-карман», «II» фотолитография, травление SiO, ионное легирование «n-карман», перераспределение «n-карман», «III» фотолитография, травление SiO, окисление термическое, ионное легирование «Подлегирование», «IV» фотолитография, травление SiO, тонкое окисление, нанесение поликремния Si*, «V» фотолитография, травление Si, «VI» фотолитография, ионное легирование «Область n», «VII» фотолитография, ионное легирование «Область р», отжиг, формирование SiO (нелегированный), осаждение борофосфоросиликатного стекла, отжиг, «VIII» фотолитография, травление борофосфоросиликатного стекла, напыление металла, «IX» фотолитография, травление металла, осаждение SiO, «X» фотолитография, травление SiO.
++
2
2
2
Сущность заявляемого способа заключается в том, что за основу взят существующий технологический маршрут изготовления n-МОП вертикального транзистора К1337КТ1Т [2], где на поверхности эпитаксиального n-слоя формируют узкие полосы окисла в местах расположения будущих каналов. Затем проводят ионное легирование и перераспределение бора с его заходом под маску окисла. При этом длину канала определяет величина бокового смещения и может быть точно рассчитана. Для увеличения плотности упаковки выполнение технологического процесса ионного легирования фосфором, образующее области истоков n-типа, проводят по раскроенным поликремниевым затворам с самосовмещением. Отличительным признаком прибора, изготовленного по предлагаемой технологии, является протекание тока по каналам нормально к поверхности кристалла. В соответствии с заявленным способом на фиг. 2а показано поперечное сечение КМОП-структуры, а на фиг. 2б - увеличенное изображение фрагмента А, где 13 - n - глубокая разделительная область, 14 - SiO - подзатворный тонкий окисел, 15 - р+-контакт к р-карману, 16 - n+-контакт к n-карману, 17 - исток вертикального n-МОП транзистора, 18 - низколегированный эпитаксиальный слой, 19 - нелегированный SiO, 20 - борофосфоросиликатное стекло, 21 - защитный SiO, 22 - металлизация.
ПР
ПОР
Проверка предлагаемого способа изготовления КМОП-структуры выполнена при разработке интегральной схемы преобразователя постоянного напряжения, где выбор технологии изготовления высоковольтного вертикального n-МОП-транзистора продиктован требованиями к самой критичной области - каналу, которая определяет все важнейшие параметры ключа: напряжение пробоя не менее 60 В; ток стока не менее 16 мкА/мкм. При формировании горизонтальных n-МОП транзисторов напряжение пробоя стокового перехода должно составлять U≥15 В, а пороговое напряжение транзистора U=0,8…1,2.
2
ПР
Для формирования изолированных р-МОП-транзисторов, изготавливаемой КМОП-структуры, сформирован «n-карман» в «р-кармане» по предлагаемой технологии. Результаты исследований и технологического проектирования показали, что при формировании «р-кармана» с использованием КМОП-технологии дозы ионного легирования бора Д=1,6 мкКл/см с энергией Е=40 кэВ достаточно для получения напряжения пробоя «р-карман» - «подложка» более U=60 В и обеспечения достаточной глубины залегания «n-кармана» без диффузионного смыкания с границей «р-кармана».
Для n-МОП-транзисторов режим разгонки примеси бора основан на КМОП-технологии режима разгонки «р-кармана» с поправкой времени для обеспечения необходимой глубины залегания кармана. Уточненное время разгонки составляет 6 ч в инертной среде.
2
-3
-3
ПР
ПОР
Доза ионного легирования фосфора для формирования «n-кармана» внутри «р-кармана» получена расчетным путем [3, 4]. Основными критериями для расчета в данном случае стали глубина и поверхностная концентрация активной примеси кармана. Моделирование показало, что минимальной дозой фосфора для перелегирования бора в сформированном «р-кармане» является Д=4 мкКл/см, при энергии легирования Е=60 кэВ. Время разгонки в данном случае составляет 3 ч в инертной среде. Глубина залегания «n-кармана» составляет порядка Xj=5,5 мкм, а поверхностная концентрация фосфора составляет порядка N=5е16 см. Глубина, залегания «р-кармана», после формирования и разгонки «n-кармана», составляет Xj=10 мкм, поверхностная концентрация бора составляет N=3е16 см. Напряжение пробоя р-МОП транзистора составляет U=20…22 В. Пороговое напряжение транзистора - U=0,9 В.
СИ
З
СИ
ПОР
Напряжение пробоя сток-исток изготовленного вертикального n-МОП транзистора лежит в предлах U=110…112 В. Ток стока при напряжении на затворе U=12 В и U=0,4 В составил 30 мкА/мкм. Пороговое напряжение составляет U=0,8…0,9 В.
ПОР
ПОР
2
2
2
2
В результате моделирования технологических маршрутов изготовления р- и n- МОП-транзисторов для КМОП технологии «карман в кармане» получены их двумерные структуры, на основе которых исследованы особенности их работы. Полученные данные были использованы при подготовке комплектов фотошаблонов транзисторов и разработке базы моделей МОП-транзисторов, которые включают различные параметры, в том числе для n-ОП-транзистора: пороговое напряжение U=0,3…0,4 В, подвижность электронов в канале Un=604 см/(В⋅с), подвижность дырок в канале Up=330 см/(B⋅c), L=4,5 мкм, и для р-МОП-транзистора: пороговое напряжение U=0,9…1,0 В, подвижность электронов в канале Un=330 см/(В⋅с), подвижность дырок в канале Up=240 см/(В⋅с), L=5,5 мкм, толщина подзатворного окисла h=0,45 мкм.
Результаты исследований показали, что предлагаемый способ изготовления КМОП-структур позволил увеличить входное рабочее напряжение интегральной схемы до 36 В и ток нагрузки до 120 мА, расширить функциональные возможности интегральной схемы сочетанием на одном кристалле двух ШИМ-модуляторов, источника опорного напряжения, системы обратной связи по току, напряжению и мощных силовых вертикальных n-МОП-транзисторов, а также повысить надежность путем подавления тиристорного эффекта.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Манжа, Н.М. Способ изготовления интегральных схем на КМОП-транзисторах [Текст] / Н.М. Манжа, М.И. Клычников, Д.Г. Кравченко, Е.А. Кечкова // Патент РФ №2185686 С2, 2002.
2. Разработка базовой технологии создания радиационно-стойкого высоконадежного сверхстабильного аттестуемого стабилитрона [Текст]: отчет о ОКР (заключит.): 91-95 / ОАО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов с ОКБ»; рук. Глухов А.В.; исполн.: Бодров В.В. [и др.]. - Новосибирск, 2011. - 145 с. - № ГР У91737. - Инв. №622.
3. Synopsys Official Site [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.synopsys.com.
4. Глухов, А.В. Моделирование характеристик и параметров КМОП транзисторов на основе TCAD Sentaurus [Текст] / А.В. Глухов, С.В. Калинин, A.C. Черкаев // Росийская научно-техническая конференция. Материалы. Т. 1. Новосибирск, 2011. С. 448-449.