СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКОЙ БИС
RADIATION-RESISTANT LSIC MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области микроэлектроники и предназначено для изготовления больших интегральных радиационно-стойких БИС.
Известно, что радиационное излучение вызывает накопление положительного заряда в оксиде кремния. Особенно значительный заряд накапливается в толстом полевом оксиде кремния, который используется в КМОП БИС для изоляции активных областей транзисторов и уменьшения величины паразитных емкостей шин межсоединений относительно подложки. Накопленный положительный заряд приводит к снижению порогового напряжения n-канальных паразитных транзисторов, формируемых шинами коммутации элементов БИС, и под полевым оксидом кремния образуется проводящий канал, который замыкает области стоков - истоков транзисторов, или соседние диффузионные области. Это приводит к превышению тока потребления БИС относительно установленной нормы.
Известен способ изготовления радиационно-стойкой БИС [1 - Патент США №5670816, кл. H01L 29/76, 1997 г.] (фигуры 1, 2), который заключается в том, что в исходной подложке или кармане 1 р-типа создают охранные области 2 р-типа, с помощью окисления формируют полевые 3 и активные области 4, создают маску и внедряют примесь р-типа для формирования области 5 с повышенной концентрацией примеси р-типа на границе тонкий - толстый оксид кремния. Затем формируют затворный оксид кремния 6 и поликремниевые затворы 7 транзисторов, легируют диффузионные области 8 стоков - истоков n-канальных транзисторов примесью n-типа, легируют диффузионные области стоков - истоков р-канальных транзисторов и защитные области 9 примесью р-типа и создают межслойную изоляцию 10, контакты и металлизацию 11 БИС. При этом в подложке или кармане 1 р-типа под полевым оксидом кремния 12 располагаются охранные области 2 р-типа с повышенной концентрацией примеси, предотвращающие возникновение паразитных каналов в отсутствии радиационного воздействия, а в области тонкого (затворного) оксида кремния 6 на участках выхода затворов транзисторов на полевой оксид кремния 12, размещены высоколегированные охранные области 5 р-типа, примыкающие к областям 8 стока - истока n-канального транзистора и поликремниевые затворы 7 транзисторов. Транзисторная структура окружена высоколегированной областью 9 р-типа, которая ограничивает возникающий при воздействии радиационного излучения проводящий канал под толстым полевым оксидом кремния.
Недостатком способа является то, что легированные охранные области 5 р-типа, устраняя утечку в полевых областях на участках выхода затворов транзисторов на полевой оксид кремния, не препятствуют возникновению паразитного канала 13 утечки тока на других участках n-канального транзистора.
Эти недостатки, за счет формирования охранной высоколегированной области по периферии активных областей n-канальных транзисторов, устраняет способ изготовления радиационно-стойкой БИС [2 - Патент США №6320245, кл. H01L 23/58, 2001 г.], являющийся наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к заявляемому.
Способ изготовления (фигуры 3, 4) заключается в том, что в исходной подложке или кармане 1 р-типа создают полевой окисел кремния 12 с образованием полевых 3 и активных областей 4. После окисления полевых областей формируют фоторезистивную маску для легирования и легируют охранные области 2 р-типа. Затем создают дополнительную маску для легирования и внедряют легирующую подложку примесь р-типа в полевой окисел и область 5 на границе тонкий - толстый оксид кремния по периферии активных областей 4. После легирования областей 5 создают затворный оксид кремния 6 и наносят поликремниевый слой. Формируют поликремниевые затворы 7 транзисторов, создают фоторезистивную маску и легируют диффузионные области 8 стоков - истоков n-канальных транзисторов примесью n-типа. При этом области 8 отстоят от легированных областей 5 р-типа на расстояние, обеспечивающее сохранение величины пробивных напряжений областей 8 стоков - истоков n-канальных транзисторов. Далее одновременно легируют защитные области 9 и диффузионные области стоков - истоков р-канальных транзисторов примесью р-типа и создают межслойную изоляцию 10, контакты и металлизацию 11 БИС.
При этом в подложке или кармане 1 р-типа под полевым оксидом кремния 12 располагаются охранные области 2 р-типа, а в области тонкого оксида кремния 6, на границе активная - полевая область с помощью не самосовмещенной маски для легирования сформированы высоколегированные охранные области 5 р-типа, отстоящие от легированных примесью n-типа областей 8 стока - истока n-канального транзистора, которые также задаются не самосовмещенной с областями 5 маской для легирования. Поликремниевые области 7 образуют затворы транзисторов. Транзисторная структура окружена высоколегированной областью 9 р-типа. Охранные области препятствуют замыканию активных областей проводящим каналом, возникающим под толстым полевым оксидом кремния при воздействии радиационного излучения.
Недостатком этого способа является то, что высоколегированные охранные области 5 р-типа и участки 14, разделяющие стоки - истоки 8 n-канальных транзисторов и охранные области 5, размещены в области тонкого (затворного) оксида кремния 6 активных областей 4, что значительно увеличивает площадь, необходимую для размещения n-канальных транзисторов. Разделительная область 14 служит для предотвращения снижения величины пробивных напряжений диффузионных переходов стока - истока транзисторов. Необходимая ширина области 14 во многом определяется величиной технологического запаса на рассовмещение фотолитографических масок, с помощью которых формируются области 5 и 8, и ухода размеров при формировании технологических слоев. Использование не самосовмещенного технологического процесса формирования активных диффузионных областей 8 n-типа стока - истока n-канальных транзисторов относительно охранных областей 5 р-типа приводит к необходимости формировать разделительную область 14 шириной до 1,5 мкм [2]. Учитывая, что охранная область 5 также не самосовмещена с полевым окислом кремния, такие области необходимо задавать повышенной ширины, чтобы учесть рассовмещение полевых 3 и охранных 5 областей. Области 5 и 14 являются пассивными областями, расположены в активных областях и обуславливают необходимость задавать активные области большей величины, чем необходимо для размещения диффузионных областей стока - истока транзисторов. Это значительно снижает степень интеграции БИС.
К недостаткам способа относится его сложность, так как формирование охранных областей р-типа, расположенных в активных областях n-канальных транзисторов, проводится с помощью дополнительной маски для легирования, а легирование охранных областей р-типа проводится через полевой оксид кремния, что обуславливает необходимость использования специального оборудования для проведения процесса ионного легирования с большими энергиями.
Задачами заявляемого решения являются повышение степени интеграции и упрощение способа изготовления БИС.
Технические результаты достигают тем, что на исходной подложке первого типа проводимости, содержащей карман второго типа проводимости, формируют полевой окисел кремния, задавая конфигурацию полевых и активных областей для размещения диффузионных областей стока - истока n-и р-канальных транзисторов, охранных замкнутых высоколегированных областей, образующих диффузионный контакт к подложке или карману р-типа, а также дополнительных буферных канальных участков, расположенных между каналами и стоками - истоками транзисторов n-типа и охранными высоколегированными активными областями р-типа. Формируют затворный оксид кремния, создают поликремниевые области затворов транзисторов, межсоединений и дополнительные поликремниевые затворные охранные области, которые полностью перекрывают буферные канальные участки и примыкают к стоками - истоками транзисторов n-типа и охранным высоколегированными областями р-типа. Формируют фоторезистивную маску для легирования стоков - истоков транзисторов n-типа, частично открывающую полевые области и дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к каналам транзисторов n-типа, легируют стоки - истоки транзисторов n-типа, формируют фоторезистивную маску для легирования охранных активных областей р-типа и стоков - истоков транзисторов р-типа, частично открывающую дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к охранным областями р-типа, легируют охранные активные области р-типа и стоки -истоки транзисторов р-типа, формируют межслойную изоляцию, вскрывают контактные окна и создают металлизацию БИС.
Сопоставимый с прототипом анализ показывает, что новизна способа изготовления радиационно-стойкой БИС состоит в том, что с целью повышения степени интеграции за счет самосовмещения активных областей стоков и истоков транзисторов n-типа и охранных высоколегированных областей р-типа и исключения расположения охранных высоколегированных участков р-типа в активных областях транзисторов n-типа, упрощения способа изготовления БИС за счет исключения дополнительных технологических операций и дополнительных топологических слоев в активных областях одновременно с диффузионными областями стока - истока n- и р-канальных транзисторов охранными замкнутыми высоколегированными областями, образующими диффузионный контакт к подложке или карману р-типа, формируют дополнительные буферные канальные участки, расположенные между каналами и стоками - истоками транзисторов n-типа и охранными высоколегированными активными областями р-типа, затворный оксид кремния создают после образования полевого оксида кремния. Одновременно с поликремниевыми областями затворов транзисторов и межсоединений формируют дополнительные поликремниевые затворные охранные области, которые полностью перекрывают буферные канальные участки активных областей и примыкают к стоками - истоками транзисторов n-типа и охранным высоколегированными областями р-типа. При создании маски легированию стоков - истоков транзисторов n-типа частично открывают полевые области и дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к каналам транзисторов n-типа. При создании маски для легирования охранных активных областей р-типа и стоков - истоков транзисторов р-типа частично открывают дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к охранным областями р-типа.
На дополнительных буферных канальных участках, расположенных между каналами и стоками - истоками транзисторов n-типа и охранными высоколегированными активными областями р-типа при выращивании тонкого затворного оксида кремния транзисторов также образуется затворный оксид кремния. После создания дополнительных поликремниевых затворных охранных областей, полностью перекрывающих буферные канальные участки активных областей, между стоками - истоками транзисторов n-типа и охранным высоколегированными областями р-типа формируются защитные структуры, которые совместно с охранными высоколегированными активными областями р-типа полностью устраняют вызванный радиационным воздействием канал утечки под полевым оксидом кремния между стоком - истоком отдельных n-канальных транзисторов и между соседними n-канальными транзисторами по всей площади кристалла БИС. Буферные канальные участки активных областей с расположенными на них затворным оксидом кремния и поликремниевыми затворными областями формируются одновременно с каналами транзисторов n-типа и содержат одинаковые технологические и топологические слои. Поэтому такие участки имеют такое же пороговое напряжение и радиационную стойкость, как и активные n-канальные транзисторы БИС, и выполняют защитную роль во всем диапазоне специальных внешних воздействующих факторов до отказа активных транзисторов n-типа.
Поликремниевые затворные охранные области перекрывают дополнительные буферные канальные участки в направлении, перпендикулярном затвору транзисторов, на минимальную величину, определяемую технологической точностью задания взаимного расположения активных и поликремниевых областей. Перекрывающие канальные участки поликремниевые области также служат для формирования контактов металлизации к затворам транзисторов.
Расстояние между высоколегированными областями охраны р-типа и областями стока - истока транзистора n-типа, необходимое для сохранения пробивных напряжений активных диффузионных областей, в способе-прототипе задается несколькими фотолитографическими масками и операциями легирования, что приводит к необходимости увеличивать такое расстояние для учета технологического рассовмещения топологических слоев. В заявляемом способе изготовления радиационно-стойкой БИС расстояние между областями охраны р-типа и областями стока - истока транзистора n-типа определяется величиной поликремниевой затворной охранной области, расположенной на буферных канальных участках, так как поликремниевый слой является маской при легировании примесью р- и n-типа. При формировании маски для легирования сток-истоковых областей n-канальных транзисторов, которая с учетом технологического рассовмещения частично открывает полевые области и дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к каналам транзисторов n-типа, и последующем легировании примесью n-типа, граница высоколегированной активной области n-типа задается поликремниевой затворной охранной областью. Аналогично при легировании охранной области р-типа формируется маска, которая с учетом фотолитографического рассовмещения частично открывает полевые области и дополнительные поликремниевые затворные области на участках, примыкающих к областям охраны р-типа, и при последующем легировании примесью р-типа, поликремниевая затворная охранная область задает границу высоколегированной охранной области р-типа. Таким образом, расстояние от активной области n-типа до охранной области р-типа задается только дополнительной поликремниевой затворной областью, которая формируется при высокоточном создании поликремниевых затворов транзисторов, и величина этого расстояния не зависит от рассовмещении технологических масок. Другим слоем, ограничивающим область внедрения примесей n- и р-типа, является полевой оксид кремния. Таким образом формируются активные области стоков и истоков транзисторов n-типа, самосовмещенные с охранными высоколегированными областями р-типа.
Необходимый размер поликремниевой области, задающей расстояние между областями n- и р-типа, определяется величиной расширения области пространственного заряда диффузионных переходов стока - истока транзисторов и зависит от напряжения питания микросхем. В отличие от технологического рассовмещения топологических слоев уход размеров при фотолитографическом формировании поликремниевых областей не влияет на точность задания размеров разделительной области, так как при изготовлении фотошаблонов учитывается отклонение размеров элементов на кристалле от топологических при их формировании.
В способе-прототипе охранная область р-типа расположена в активной области, задается специальной дополнительной маской и легированием с высокими энергиями. В заявляемых конструкции и способе ее изготовления роль такой защитной области выполняет охранная высоколегированная активная область р-типа, образующая диффузионный контакт к подложке или карману р-типа, и которая формируется одновременно с активными областями р-типа, и буферные канальные участки с расположенными на них дополнительными поликремниевыми затворными охранными областями, которые формируются одновременно с активными и поликремниевыми областями.
Таким образом, создание согласно заявляемому способу изготовления радиационно-стойких БИС охранных высоколегированных участков р-типа не требует дополнительных технологических операций и дополнительных топологических слоев, такие участки не расположены в активных областях транзисторов n-типа, а активные области n-типа стоков-истоков транзисторов самосовмещены с охранной высоколегированной областью р-типа. Это повышает степень интеграции структур кристаллов и упрощает способ изготовления БИС.
Экспериментальное исследование зависимости величины пробивного напряжения диффузионных переходов стоковых и истоковых областей n-канальных транзисторов от расстояния до охранной области р-типа, задаваемого заявляемым способом, показало, что такое расстояние без уменьшения величины пробивного напряжения диффузионных переходов может составляет не более 0,4 мкм при напряжении питания микросхем 5 В.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 - структура радиационно-стойкой БИС аналога (патент США №5670816, кл. H01L 29/76, 1997 г.).
На фиг.2 - сечение по линии А-А' структуры на фиг.1.
На фиг.3 - структура радиационно-стойкой БИС прототипа (патент США №6320245, кл. H01L 23/58, 2001 г.).
На фиг.4 - сечение по линии А-А' структуры на фиг.3.
На фиг.5 - структура радиационно-стойкой БИС заявляемого решения после полевого окисления, содержащая подложку с полевыми областями 3 и активными областями, включающими области размещения стоков и истоков n-канальных транзисторов 8 и р-канальных транзисторов, охранные замкнутые области 9, которые в последующем будут легированы примесью р-типа, и буферные канальные участки 15. Структура содержит сформированные после создания затворного оксида кремния 6 поликремниевые области, которые включают затворы 7 n-канальных транзисторов и дополнительные затворные охранные области 16, задающие расстояние 17 между областями стоков и истоков транзисторов и охранными областями. Структура содержит фоторезистивную маску 18 для легирования стоков и истоков n-канальных транзисторов, частично открывающую полевые области 3 и дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16 на участках 19.
На фиг.6 - сечение по линии А-А' структуры на фиг.5, содержащее подложку 1, активные области размещения стоков и истоков n-канальных транзисторов 8, охранные замкнутые области 9, которые в последующем будут легированы примесью р-типа, буферные канальные участки 15, затворный оксид кремния 6, затворы 7 n-канальных транзисторов и дополнительные затворные охранные области 16, фоторезистивную маску 18 для легирования стоков и истоков n-канальных транзисторов.
На фиг.7 - сечение по линии Б-Б' структуры на фиг.5, содержащее подложку 1, полевой оксид кремния 12, активные области размещения стоков и истоков n-канальных транзисторов 8, охранные замкнутые области 9, которые в последующем будут легированы примесью р-типа, затворный оксид кремния 6, дополнительные поликремниевые затворные охранные области 16, фоторезистивную маску 18 для легирования стоков и истоков n-канальных транзисторов.
На фиг.8 - структура радиационно-стойкой БИС заявляемого решения после легирования стоков и истоков n-канальных транзисторов, содержащая подложку с полевыми областями 3, охранные замкнутые области 9, буферные канальные участки 15, поликремниевые области 7 затворов транзисторов и дополнительные затворные охранные области 16, легированные диффузионные области 8 стоков и истоков n-канальных транзисторов, фоторезистивную маску 20 для легирования примесью р-типа охранных замкнутых областей 9, частично открывающую полевые области 3 с расположенным на них полевым оксидом кремния и дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16 на участках 21.
На фиг.9 - сечение по линии А-А' структуры на фиг.8, содержащее подложку 1, охранные замкнутые области 9, буферные канальные участки 15, затворный оксид кремния 6, поликремниевые области 7 затворов транзисторов и дополнительные затворные охранные области 16, фоторезистивную маску 20 для легирования примесью р-типа охранных замкнутых областей 9, частично открывающую дополнительные затворные охранные поликремниевые области 15.
На фиг.10 - сечение по линии Б-Б' структуры на фиг.8, содержащее подложку 1, полевой оксид кремния 12, расположенный на полевых областях, охранные замкнутые области 9, затворный оксид кремния 6, легированные диффузионные области 8 стоков и истоков n-канальных транзисторов, фоторезистивную маску 20 для легирования примесью р-типа охранных замкнутых областей 9, частично открывающую дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16.
На фиг.11 - структура радиационно-стойкой БИС заявляемого решения после легирования охранных замкнутых областей, содержащая подложку с полевыми областями 3, буферные канальные участки 15, поликремниевые области 7 затворов и дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16, легированные диффузионные области 8 стоков и истоков n-канальных транзисторов, охранные замкнутые области 9, отстоящие от областей 8 на расстояние 17, контактные окна и металлизацию 11.
На фиг.12 - сечение по линии А-А' структуры на фиг.11, содержащее подложку 1, буферные канальные участки 15, поликремниевые области 7 затворов и дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16, легированные области р-типа 22 на участках охранных замкнутых областей 9, межслойную изоляцию 10.
На фиг.13 - сечение по линии Б-Б' структуры на фиг.11, содержащее подложку 1, полевой оксид кремния 12 на полевых областях, дополнительные затворные охранные поликремниевые области 16, легированные диффузионные области 8 стоков и истоков n-канальных транзисторов, легированные области р-типа 22 на участках охранных замкнутых областей 9, межслойную изоляцию 10 и металлизацию 11.
Ниже приводится пример осуществления способа.
2
2
На кремниевой пластине 1 марки КДБ, 12 Ом·см, <100> с помощью известного технологического процесса на пассивных (полевых) 3 областях формируют полевой оксид кремния 12 толщиной 0,5 мкм, с образованием полевых 3 областей и активных 4 областей, для размещения стоков и истоков n-канальных транзисторов 8 и р-канальных транзисторов (не показаны), охранных замкнутых областей 9, которые в последующем будут легированы примесью р-типа, и буферных канальных участков 15. На активных областях термическим окислением формируют затворный оксид кремния 6 толщиной 12 нм, наносят слой поликремния толщиной 0,45 мкм и проводят диффузию фосфора в поликремний. Легирование поликремниевого слоя непосредственно после его нанесения не является обязательными и может быть осуществлено на других стадиях технологического процесса как примесью n-типа, так и р-типа. Формируют фоторезистивную маску и плазмохимическим способом травят поликремний для задания конфигурации затворов 7 транзисторов n- и р-типа и дополнительных затворных охранных областей 16 и снимают фоторезист. Далее формируют фоторезистивную маску 18, легируют диффузионные области 8 стока - истока n-канальных транзисторов ионами мышьяка с энергией 100 кэВ и дозой 1000 мкКл/см. Снимают фоторезист, формируют фоторезистивную маску 20 и легируют охранные замкнутые области 9 и диффузионные области стока - истока р-канальных транзисторов ионами бора с энергией 40 кэВ и дозой 300 мкКл/см с образованием легированного слоя р-типа 22. Наносят межслойную изоляцию 10, состоящую из пиролитического БФСС толщиной 0,8 мкм, и ведут термическое оплавление изоляции для сглаживания поверхностного рельефа структуры. Далее известным способом формируют контрактные окна и металлизацию 11, которая состоит из нижнего буферного слоя тугоплавкого металла или его соединений (Ti, TiN) толщиной 0,2 мкм и верхнего слоя алюминия с кремнием толщиной 1 мкм, после чего осуществляют пассивацию кристаллов.
Формирование самосовмещенных активных областей стоков, истоков транзисторов n-типа и охранных высоколегированных областей р-типа, а также исключение размещения охранных высоколегированных участков р-типа в площади активных областей транзисторов n-типа повышает степень интеграции радиационно-стойких БИС.
Исключение необходимости использования дополнительных технологических операций и дополнительных топологических слоев упрощает способ изготовления радиационно-стойких БИС.
Источники информации
1. Патент США №5670816, кл. H01L 29/76, 11997 г.
2. Патент США №6320245, кл. H01L 23/58, 2001 г. (прототип).