Способ изготовления кремниевых МДП – интегральных схем

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ МДП - ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления кремниевых МДП-интегральных схем, включающий последовательное формирование в кремниевой подложке поднитридного оксида кремния, пленки нитрида кремния, формирование областей охраны с помощью локального окисления кремния, удаление пленки нитрида кремния, формирование затвора на подзатворном диэлектрике, истоков и стоков полевых транзисторов, диэлектрической изоляции, системы металлизации и пассивирующего покрытия, отличающийся тем, что в качестве подзатворного диэлектрика используют поднитридный оксид кремния, а после удаления пленки нитрида кремния проводят отжиг в сухом кислороде при температуре 1073-1123 в течение 10-30 мин.(56) Зи.С. Технология СБИС. - М. Мир, 1986. - С. 207-212.973 1, 1995.1519452 , 1995.2053586 1, 1996.141941 1, 1995.1176777 1, 1995.4619034 , 1986.4149307 , 1979.6005536 , 1994. Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления кремниевых МДП ИС. Известен способ изготовления кремниевых МДП ИС, включающий формирование в подложке -типа - и -карманов, формирование межкомпонентной изоляции, формирование подзатворного диэлектрика, затвора, истоков и стоков - и -типов, нанесение диэлектрического покрытия и формирование металлизации 1. 6430 1 Недостатком способа является наличие большого количества операций при формировании активной структуры. Формирование карманов двух типов и межкомпонентной изоляции требует двукратного нанесения пленки нитрида кремния, операция нанесения которого является очень критичной. Это приводит к высокой дефектности структур, загрязнению неконтролируемыми примесями, что снижает радиационную стойкость МДП-приборов, т.к. примеси загрязняют подзатворный диэлектрик, что снижает его стойкость к ионизации. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления кремниевых МДП-интегральных схем, включающий последовательное формирование в кремниевой подложке поднитридного оксида кремния, пленки нитрида кремния, областей охраны с помощью локального окисления кремния, удаление нитрида и поднитридного оксида кремния, формирование подзатворного оксида кремния, затвора, истоков и стоков полевых транзисторов, диэлектрической изоляции, межсоединений и пассивирующего покрытия 2. По сравнению с аналогом указанный способ предусматривает использование однократного нанесения пленки нитрида кремния. Это несколько снижает трудоемкость способа и дефектность структур. Тем не менее недостатками способа являются сравнительно высокая его трудоемкость вследствие большого числа операций при формировании активной структуры и низкая радиационная стойкость вследствие загрязнения подзатворного диэлектрика неконтролируемыми примесями, т.к. в процессе термического окисления,применяемого для формирования подзатворного диэлектрика, неконтролируемые примеси накапливаются в приграничном слое кремния и самом подзатворном оксиде 3. Задачей изобретения является снижение трудоемкости за счет сокращения числа технологических операций и повышение радиационной стойкости подзатворного диэлектрика. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кремниевых МДПинтегральных схем, включающем последовательное формирование в кремниевой подложке поднитридного оксида кремния, пленки нитрида кремния, областей охраны с помощью локального окисления кремния, удаление нитрида кремния, формирование затвора на подзатворном диэлектрике, истоков и стоков полевых транзисторов, диэлектрической изоляции,системы металлизации и пассивирующего покрытия, в качестве подзатворного диэлектрика используют поднитридный оксид кремния, а после удаления пленки нитрида кремния проводят отжиг в сухом кислороде при температуре 1073-1123 К в течение 10-30 минут. Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании поднитридного оксида кремния в качестве подзатворного. При этом исключаются операции удаления оксида кремния и окисления под затвор со вспомогательными и контрольными операциями, а вводится одна новая операция термообработки, которая по длительности меньше, чем операция окисления под затвор, занимающая 3-4 часа. Таким образом, трудоемкость способа уменьшается. Повышение радиационной стойкости подзатворного диэлектрика достигается по следующим причинам. Оксид кремния имеет очень маленький по сравнению с кремнием коэффициент линейного термического расширения (клтр). Поэтому на кремний на границе с оксидом кремния действуют сильные растягивающие механические напряжения. По этой причине загрязняющие примеси диффундируют к границе кремний - оксид кремния. Часть из них остается в кремнии, а большая часть захватывается оксидом 3. Эти примеси при облучении ионизируются легче, чем оксид кремния, что приводит к росту токов утечки через МДП-структуру. Радиационная стойкость такой структуры сравнительно мала. Если же пленка оксида покрыта сверху пленкой нитрида кремния, клтр которого отличается от клтр оксида на большую величину, чем клтр кремния, то в пленке нитрида кремния на границе с оксидом возникают еще большие механические напряжения, чем в кремнии. По этой причине основная часть загрязняющей примеси из кремния и оксида кремния переходит в нитрид кремния, который затем удаляется. Этот переход происходит при термообработке, каковой является операция локального окисления кремния. Таким образом, нитрид кремния является своеобразным встроенным геттером для примесей, не используемом в прототипе, т.к. при повторном окислении 2 6430 1 под затвор загрязняющие примеси опять диффундируют из объема пластины в подзатворный диэлектрик и накапливаются там. Проведение же отжига в предлагаемых режимах необходимо для релаксации механических напряжений в структуре и удаления влаги из подзатворного диэлектрика. Увеличения концентрации примеси в подзатворном диэлектрике при этом не происходит, т.к. температура и время отжига малы. Наоборот, в связи с тем, что механические напряжения, внесенные нитридом кремния в оксид, наиболее высоки были там, где толщина оксида меньше, вследствие релаксации этих напряжений при отжиге происходит отток примеси в более толстые слои локального оксида кремния. Таким образом, концентрация загрязняющих примесей в поднитридном оксиде уменьшается. Использование его в качестве подзатворного диэлектрика позволяет повысить радиационную стойкость изготавливаемых приборов. Окислительная атмосфера отжига необходима для уплотнения оксида. В противном случае при десорбции в процессе отжига поглощенной влаги в пленке образуются микропоры. Температурные и временные интервалы отжига выбраны из следующих условий. При температуре менее 1073 К, например 1023 К, отжиг механических напряжений происходит медленно и не полностью, а при температурах более 1123 К, например 1173 К,происходит диффузия примесей из объема пластины в подзатворный диэлектрик, что снижает радиационную стойкость прибора. Время менее 10 минут недостаточно для полной релаксации механических напряжений, а проводить процесс в течение более 30 минут нецелесообразно, т.к. дополнительных преимуществ это не дает. На пластинах марки 100 КЭФ 4,5(100) методами стандартных фотолитографии, химической обработки, окисления, ионного легирования, диффузии, формирования диэлектрических и проводящих покрытий формировали области кармана. Затем удаляли с пластин оксид кремния и формировали поднитридный оксид кремния путем пирогенного окисления кремния при температуре 1123 К до достижения толщины оксида 425 А. Окисление проводили на установке АДС 6-100. Затем на пластинах формировали пленку нитрида кремния толщиной 0,2 мкм путем парофазной реакции силана с аммиаком на установке Изотрон-1. Далее в полученной структуре формировали рисунок охранных областей - и-типа и формировали локальный оксид кремния путем термического окисления кремния под давлением при температуре 1223 К на установке Термоком-М до достижения толщины локального оксида кремния 1,0 мкм. Далее с пластин удаляли нитрид кремния в горячей смеси серной и фосфорной кислот. После этого проводили химическую отмывку пластин в кислоте Каро и перекисно-аммиачном растворе и отжигали пластины в установке АДС 6-100. Режимы отжига приведены в таблице. При изготовлении образцов по способу-прототипу после удаления нитрида кремния удаляли поднитридный оксид кремния, затем проводили химическую отмывку пластин и проводили окисление под затвор пирогенным способом при температуре 1123 К до достижения толщины оксида кремния 425 А. Время проведения процесса составило 3,3 часа. Далее на всех структурах стандартными методами в соответствии с технологическим маршрутом формировали области затвора, истоков и стоков - и -канальных транзисторов, диэлектрическую изоляцию,систему металлизации и пассивирующее покрытие. Радиационную стойкость полученных приборов оценивали по величине токов утечкичерез подзатворный диэлектрик, по временидостижения максимального тока через структуру при их облучении рентгеновскими лучами с энергией до 34 кэВ на установке ИРИС-1 4. Измерения проводились при мощности излучения 25000 рад/с и напряжении на затворе МДП-структуры 20 В. Оценка качества структур проводилась по доле структур с напряжением пробоя более 20 В. Результаты измерения приведены в таблице. 6430 1 ТемпеВремядос- Доля структур с Время ТокСреда ратура напряжением тижения макотжига, утечки ,Примечания п/п отжига отжига,симального то- пробоя более мин нА К 20 В,ка, с 1 2 1023 20 23 0,7 0,8 1098 20 20 1,0 0,8 12 2 1098 20 20 1,0 0,7 13 Прототип 28 0,5 1,0 Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет снизить трудоемкость изготовления МДП ИС за счет исключения одной операции и замены другой на менее длительную по времени, а также позволяет повысить радиационную стойкость формируемых МДП-структур за счет снижения токов утечки через подзатворный диэлектрик при облучении и увеличения времени выхода структуры в режим насыщения, т.е. снижения скорости генерации носителей при облучении. Источники информации 1.,,,, --..., ., , 1980. - Р. 752. 2. Пример технологического процесса производства -МОП ИС. В кн. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ/Под ред. С.Зи. - Т. 1. - Мир, 1986. - С. 207-212 (прототип). 3. Комар В.А. Неконтролируемые примеси в полупроводниковых структурах на основе кремния и методы их геттерирования Дис.канд. физ.-мат. наук. - Мн., 1987. 4. Богатырев Ю.В., Вальчевский С.А., Шикина В.В. Установка для оценки стойкости ИС к облучению в режиме функционального контроля. Материалымежотраслевой научно-технической конференции Надежность и контроль качества изделий электронной техники. - М. ЦНИИ Циклон, 1992. - С. 55-56. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4