Базовый технологический процесс получения моп-имс

Несмотря на большое число технологических методов изготов­ления МОП-ИМС базовой технологией остается процесс изготов­ления МОП-ИМС с каналом р- или n-типа. В этой технологии для формирования заданной структуры служат те же физико-хими­ческие процессы, что и в технологии биполярных ИМС.

Диаметр исходной пластины кремния в зависимости от тех­нического уровня производства колеблется в пределах 60... 250 мм.

На этой поверхности формиру­ется маскирующий слой оксида, толщина которого выбирается в зависимости от условий последующего диффузионного процесса по кривым. Обычно толщина оксида при диффузии бора для создания областей стока и истока составляет 0,1... 0,3 мкм. После выращивания слоя ок­сида проводится первая ФЛ, определяющая р-области стока и истока и фактически обусловливающая длину канала.

После промывки и сушки пластины, прошедшей фотолитогра­фическую обработку и вытравливание окон под диффузию, произ­водится диффузионное легирование кремния. Области р-типа фор­мируются при 1000... 1100°С. В качестве источника бора, как правило, используется диборан (В₂Н₆) и реже — галогениды бора (ВС1₃ и ВВгз). В последнем случае применяется окислительная диффузия чтобы избежать травления (эрозии) поверх­ности кремния галогенидами бора.

Если при диффузии бора добавить в газовую смесь немного кислорода то на поверхности кремния образуется тонкий слои оксидов кремния и бора (Si0₂• B₂0₃), достаточный для предот­вращения эрозии пластины, но не влияющий на процесс диффу­зии. Из этого тонкого стекловидного слоя осуществляется первая стадия точно регулируемой диффузии бора - загонка - для со­здания заданного профиля концентрации носителей заряда на за данной глубине. Вторая стадия - разгонка - обычно совмещается с выращиванием защитного слоя оксида над р-областями. По­скольку времена, необходимые для диффузии и окисления, как правило не совпадают, то требуемая для маскирования толщина оксида может быть получена дополнительным осаждением его из газовой фазы.

Если используется диффузия из твердого источника, например из боросиликатного стекла, то источник диффузанта наносится в виде пасты или суспензии на всю пластину и диффузия осуществ­ляется через окна для стока и истока.

Диоксид наращивается до толщины 1... 2,5 мкм, как правило, осаждением его из газовой фазы с довольно высокой скоростью (2 5 мкм/ч) при сравнительно невысоких температурах (300... 700°С) которые зависят от используемых исходных материа­лов (SiH₄, SiCl₄, Si(C₂H₅0)₄). Осаждение осуществляется на установках типа эпитаксиальных или диффузионных. Полученный толстый (1... 2,5 мкм) слой диоксида кремния служит маской для последующей ФЛ и (или) пассивации поверхности пластины. Вторая ФЛ и травление оксида проводятся для создания об части затвора. Эта ФЛ требует тщательного совмещения с диф­фузионными областями стока и истока. Допуск на несовмещен­ность определяется рассчитанными значениями перекрытия затво­ром областей стока и истока и боковой диффузии из этих областей в последующих операциях, которая обычно составляет 0,4 … 0,5 мкм. Поскольку слой оксида, подлежащий удалению, имеет достаточно большую толщину, то травление необходимо проводить, избегая подтравливания, т. е. образования клина на краях слоя оксида после травления. Подтравливание отрицатель­но влияет на процессы формирования затвора заданных разме­ров.

После выполнения указанных операции пластина готова для создания диэлектрика (оксида) затвора. Диэлектриком затвора в базовом ТП служит слой термически выращенного диоксида кремния. Этап формирования слоя Si0₂ по тщательности проведения — самый ответ­ственный этап технологии МОП-ИМС. От качества слоя диоксида зависят основные параметры МОП-интегральных транзисторов. Наличие в нем примесей и дефектов приводит к нестабиль­ности таких параметров, как концентрация зарядов в объеме и на поверхности, пробивное напряжение, диэлектрическая проницае­мость и др.

Степень дефектности структуры диэлектрического слоя оп­ределяется его толщиной и техническим уровнем технологии (прецизионностью предварительной обработки пластины, техно­логической гигиеной производства, методом формирования слоя и пр.). Зависимость плотности дефектов в диоксиде кремния, полученном термическим окислением, от его толщины показывает, что уже при толщине 0,05 мкм концентрация дефектов становит­ся довольно низкой, что позволяет использовать в МОП-ИМС достаточно тонкие диэлектрические пленки. В производстве тол­щина оксидной пленки составляет 8•10^-2... 22•10^-3 мкм в зави­симости от технического уровня технологии. Снижение толщин диэлектрика затвора заметно уменьшает пороговое напряжение МОП-ИМС.

Формирование оксида под затвором является последним высо­котемпературным процессом при изготовлении МОП-структуры. Поэтому при его проведении устанавливается окончательная глу­бина диффузионных областей стока и истока.

Третья ФЛ проводится для вскрытия окон под контакты к об­ластям стока и истока. После этой ФЛ вся пластина покрывается слоем металла (алюминием или молибденом) толщиной около 1 мкм методом термовакуумного испарения или ионно-плазменного напыления. Полученный металлический слой в местах соедине­ния с кремнием образует контакты и служит основой для создания заданной коммутации МОП-ИМС. Так как на поверхности пла­стины до осаждения металла существовали области со значитель­ным перепадом толщины оксида, то на соответствующих им не­ровностях слоя металлизации возможно появление разрывов. Во избежание этого вредного эффекта для напыления металла при­меняют установки с планетарным вращением подложкодержателей, обеспечивающим падение потока испаряемого металла под различными углами к пластине.

Четвертая ФЛ проводится для создания заданного рисунка коммутации изготавливаемого МОП-интегрального устройства. От точности, разрешающей способности и тщательности проведе­ния этой ФЛ зависят плотность упаковки элементов в МОП-ИМС, наличие такого типа дефектов, как разрывы и короткие замыка­ния в элементах коммутации.

Поскольку шаблон коммутации содержит рисунок затвора, то этот рисунок должен обеспечивать заданное перекрытие тонкого оксида затвора или полное его отсутствие. Это позволяет исклю­чить появление паразитных МОП-транзисторов, возникающих за счет непокрытых металлом участков оксида под затвором в про­водящем состоянии после того, как снимается напряжение сме­щения.

Следующий процесс после создания коммутации — пассивация, защищающая металлический слой коммутации от внешних воздействий (коррозии, царапин и т. п.). Пассивация осуществ­ляется нанесением оксидов при низких температурах (не выше 300°С), чтобы избежать плавления алюминиевой металлизации и протекания диффузионных процессов, которые могут изменить свойства уже сформированной структуры МОП-ИМС.

Пятая, последняя, ФЛ проводится для удаления пассивирую­щего слоя с контактных площадок.

Следует отметить, что n-канальные МОП-транзисторы, рабо­тающие в режиме обогащения, предпочтительнее, так как подвиж­ность электронов в приповерхностных инверсионных слоях почти вдвое превышает подвижность дырок.

Очевидный недостаток базовой технологии МОП-ИМС с ок­сидным диэлектриком — значительное перекрытие электродом за­твора областей истока и стока на участках с тонким оксидом, вызывающее существенное увеличение емкостей обратной связи затвор — сток и затвор — исток и снижение быстродействия схем. Такое перекрытие образуется при формировании области канала в процессе трех различных фотолитографических операций, что заставляет изготавливать фотошаблоны с учетом разбросов и ошибок совмещения и травления. Указанный недостаток практиче­ски полностью устраняют, применяя ионное легирование, а также кремниевые и молибденовые затворы.

Можно наметить следующие пути улучшения технологии МОП-ИМС и повышения качества МОП-приборов: снижение по­рогового напряжения; устранение или сведение к минимуму пара­зитных перекрытий затвор — сток и затвор — исток; уменьшение размеров диффузионных областей; уменьшение длины канала; использование для затворов диэлектриков с повышенной электрической прочностью и стабильностью.