Спосіб виготовлення інтегральних мікросхем з комплементарними транзисторами

Винахід відноситься до мікроелектроніки, а саме до технології виготовлення напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем. Відомий спосіб виготовлення кремнієвих транзисторних структур з діелектричною ізоляцією [Пат. США № 3815222 Кл.29-578, 1974], який включає формування на монокристалічній кремнієвій підкладці першої плівки двоокису кремнію (SiO2), відкривання в ній локальних ділянок, травлення першої групи ізолюючих канавок, виведення першої плівки двоокису кремнію, формування захованого шару в ізолюючих канавках першої групи, формування на монокристалічній кремнієвій підкладці другої плівки двоокису кремнію, відкривання в ній локальних ділянок, травлення другої групи ізолюючих канавок, осадження плівки полікремнію, формування кремнієвих структур (КСДІ) та транзисторних структур з діелектричною ізоляцією. Недоліком цього способу є погіршення ізоляції через формування елементів другої групи ізолюючих канавок по рельєфу першої групи ізолюючих канавок. Наявність рельєфу викликає погіршення умов проведення фотолітографії формування другої групи ізолюючих канавок. Загальними з аналогом ознаками є: формування плівки SiO2, послідовне формування двох груп канавок і формування в першій групі канавок захованого шару, нарощування на рельєфній поверхні структури шару полікристалічного кремнію, виготовлення КСДІ, формування базових та емітерних ділянок, шарів металізації і пасивації. Відомий спосіб виготовлення кремнієвих транзисторних структур з діелектричною ізоляцією [А. с. СССР № 1108966 ДСП, H01L21/76] - який прийнятий за прототип, що включає формування на монокристалічній кремнієвій підкладці плівки нітриду кремнію, відкривання в ній локальних ділянок, формування першої плівки двоокису кремнію, відкривання в ній локальних ділянок, травлення першої групи ізолюючих канавок, формування захованого шару в ізолюючих канавках першої групи, формування другої плівки двоокису кремнію, відкривання вікон у плівках нітриду кремнію, травлення другої групи ізолюючих канавок, формування цільної плівки двоокису кремнію, нарощування на рельєфній поверхні структури шару полікристалічного кремнію, виготовлення КСДІ, формування базових та емітерних ділянок, шарів металізації і пасивації. Недоліками способу є формування плівки нітриду кремнію безпосередньо на пластині монокремнію, що призводить до утворення дефектів у замаскованих ділянках та заважає використовуванню плівки нітриду кремнію для дифузійних процесів при формуванні активних ділянок. Крім того, спосіб передбачає формування захованого шару та ізольованих монокристалічних ділянок кремнієвих структур одного типу провідності, що не дозволяє формувати комплементарні транзисторні структури. Спосіб передбачає формування захованих шарів тільки в ділянках канавок, що звужує технологічні можливості способу при виготовленні транзисторних структур. Спосіб також не передбачає самосумісне формування діодних структур та шин Si, що зменшує технологічні та функціональні можливості. Спосіб не дозволяє формувати комплементарні транзисторні структури без проведення фотолітографій баз. Спільними з прототипом ознаками є: формування на кремнієвій пластині плівки нітриду кремнію, відкривання в ній локальних ділянок, формування першої плівки двоокису кремнію, відкривання в ній локальних ділянок, травлення першої групи ізолюючих канавок, формування захованого шару, формування другої плівки двоокису кремнію, відкривання вікон у плівках нітриду кремнію за допомогою фотолітографії, травлення другої групи ізолюючих канавок, формування цільної плівки двоокису кремнію, нарощування на рельєфній поверхні структури шару полікристалічного кремнію, виготовлення КСДІ, формування базових та емітерних ділянок, формування шарів металізації та пасивації. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб виготовлення інтегральних мікросхем із комплементарними транзисторами, який шляхом зменшення кількості фотолітографій та використання самосуміщення фотолітографічних та дифузійних областей забезпечує захист якості ізоляції при проведенні фотолітографії по рельєфу і дозволяє підвищити відсоток виходу придатних приладів, зменшити витрати на виготовлення інтегральних мікросхем та розробити новий клас мікросхем. Спосіб виготовлення інтегральних мікросхем з комплементарними транзисторами включає: - створення на монокристалічній кремнієвій пластині тонкої плівки двоокису кремнію; - осадження плівки нітриду кремнію, проведення фотолітографії, травлення вікон у структурі Si3N4-SіO2; - легування кремнію у відкритих локальних ділянках на глибину канавки та створення блочних ділянок кремнію протилежного типу провідності по відношенню до провідності пластини; - окислення відкритих ділянок кремнію протилежного типу провідності та створення першої товстої плівки окису кремнію; - відкривання за допомогою фотолітографії локальних областей до кремнію в першій товстій плівці окису кремнію та подальше анізотропне травлення у відкритому кремнію першої групи канавок; - селективне перше самосумісне травлення залишкових ділянок першої товстої плівки SіO2; - проведення дифузії домішок та формування першого захованого шару високої провідності в області селективно стравленого SіO2 і глибокого колектора в області бокових поверхонь канавок; - вилучення легованих плівок двоокису кремнію, окислення відкритих ділянок Sі та формування другої товстої плівки двоокису кремнію (товста плівка SіO2 більше тонкої плівки SіO2 під Si3 N4 не менш як у 4-7 разів); - селективне травлення вікон у плівках Si3N4 -SіO2; - виконання анізотропного травлення другої групи канавок; - окислення відкритого кремнію в канавках другої групи; - селективне друге самосумісне травлення залишків плівки Si3 N4-SiO2; - проведення дифузії домішки протилежного типу провідності по відношенню до першого захованого шару високої провідності і створення другого захованого шару високої провідності в області селективно травленого Si3N4 і глибокого колектора в області бокових поверхонь канавок; - самосумісне створення структур n+-р+ у граничних областях Si першої і другої груп канавок; - формування цільної плівки двоокису кремнію; - нарощування на рельєфній поверхні структури шару полікристалічного кремнію; - виготовлення КСДІ з розташованими по поверхні колекторами n- і р- типу провідності, які розміщені по периметру острівців монокремнію двох типів провідності; - самосумісне формування діодних структур, шин Si при поблочному розташуванні ділянок монокристалічного кремнію протилежного типу провідності з р-n-р і n-р-n транзисторними структурами; - виконання тільки емітерних ділянок р-n-р і n-р-n транзисторних структур при формуванні захованих шарів домішкою протилежного типу провідності по відношенню до провідності Si, що відкривають та легують; - формування шарів металізації і пасивації. Крім того можливо: - формування поблочних ділянок протилежного типу провідності по відношенню до провідності пластини на глибину меншу глибини канавок на товщину шару емітера, виконання схованих шарів за допомогою дифузії легуючих домішок протилежного типу провідності по відношенню до провідності ділянок пластини, що легують, та одночасне формування емітерів для обох типів транзисторів при дифузії або при селективному травленні і дифузії домішки для емітера одного типу транзисторів і виконанні ізоляції р-n переходом між емітером та колектором для другого типу транзисторів. Ознаками, відмінними від прототипу, є: - створення тонкої плівки двоокису кремнію; - легування кремнію у відкритих локальних ділянках на глибину канавки та створення блочних ділянок кремнію протилежного типу провідності по відношенню до провідності пластини; - окислення відкритих ділянок кремнію та формування першої товстої плівки двоокису кремнію; - селективне перше самосумісне травлення залишкових ділянок першої товстої плівки SiO2; - проведення дифузії домішки та формування першого захованого шару високої провідності і в ділянках селективно стравленого SiO2; - окислення відкритих ділянок Si та формування другої товстої плівки двоокису кремнію; - селективне друге сумісне травлення залишків плівки нітриду кремнію і травлення тонких плівок окису кремнію; - проведення дифузії домішки протилежного типу провідності по відношенню до першого захованого шару і створення другого захованого шару на ділянці селективно травленого нітриду та двоокису кремнію і глибокого колектора на ділянках в області бокових поверхонь канавок; - самосумісне формування діодних структур, шин Si при поблочному розташуванні ділянок монокристалічного кремнію протилежного типу провідності з р-n-р і n-р-n транзисторними структурами; - виконання тільки емітерних ділянок р-n-р і n-р-n транзисторних структур при формуванні захованих шарів домішкою протилежного типу провідності по відношенню до провідності Si, що відкривають та легують; - формування поблочних ділянок протилежного типу провідності по відношенню до провідності пластини на глибину меншу глибини канавок на товщину шару емітера, виконання схованих шарів за допомогою дифузії легуючих домішок протилежного типу провідності по відношенню до провідності ділянок пластини, що легують, та одночасне формування емітерів для обох типів транзисторів при дифузії або при селективному травленні і дифузії домішки для емітера одного типу транзисторів і виконанні ізоляції р-n переходом між емітером та колектором для другого типу транзисторів. Запропонований спосіб виготовлення інтегральних схем із комплементарними транзисторами дозволяє зменшити кількість фотолітографічних пластів. Використання різних масок дозволяє після травлення канавок кремнію селективно виводити маскуючі діелектрики, які відповідають ділянкам кремнію n- і р- типу провідності та самосуміщати ділянки, які відкривають під n+cc та p+cc, з ділянками глибоких колекторів, що у свою чергу дозволяє знизити кількість фотолітографічних пластів. Селективне травлення вікон у діелектриках для послідовного формування канавок дозволяє зменшити дефектність пластин, яка виникає через витончення плівки фоторезисту на рельєфі канавок. Це досягається за рахунок того, що при селективному травленні вікон в одній з діелектричних плівок травлення другої діелектричної плівки не відбувається навіть при відсутності над нею плівки фоторезисту. Цим досягається підвищення якості ізоляції при проведенні фотолітографії по рельєфу першої групи канавок. Формування після виготовлення КСДІ тільки двох або одного з емітерів дозволяє зменшити кількість фотолітографій. На Фіг.1 зображена пластина 1 з монокристалічного кремнію, у якій над ділянками з різною провідністю 1 та 4 сформовані різні діелектричні плівки Si3N4 -SiO2 - 2 і SiO2 - 3. На Фіг.2 зображена пластина 1 з відкритими вікнами в плівці 3 та ямками травлення 6. На Фіг.3 зображена пластина 1, на котрій селективно стравлені залишки плівки 3, проведена дифузія та сформовані р+cc - 7 та глибокий колектор уздовж бокових поверхонь канавок 6. На Фіг.4 зображена кремнієва пластина 1, на якій селективним травленням сформовані вікна 9 в плівці 2 Si3N4-SiO2, протравлені глибокі канавки 10 в кремнії n-типу провідності 1 і сформована тонка плівка термічного окису SiO2 - 11. На Фіг.5 зображена пластина 1 після селективного травлення залишків Si3N4-SiO2, зі сформованими n+cc, захованими шарами 12 і областю глибокого колектора уздовж бокових поверхонь глибоких канавок 10. На Фіг.6 зображена пластина 13 зі КСДІ зі сформованими комплементарними транзисторами р-n-р - 14 та n-рn - 15 та діодною структурою р+cc-n+cc - 16. Бази транзисторів формувались за допомогою процесів дифузії. На Фіг.7 зображена пластина 13 зі сформованими n-р-n - 17 і р-n-р - 18 транзисторами, шиною Si - 16. На Фіг.8 зображена пластина 13 зі сформованими n-р-n - 17 і р-n-р - транзисторними структурами одразу після формування КСДІ та виконання емітера одного із типів провідності (р-типу). На поверхні пластин Si 1 формують плівку 2 Sі3-N4 на SiO2. На першому блоці ділянок поверхню пластин Si 1 звільнюють від плівки 2 Si3-N4 і на ній формують першу товсту плівку SiO2 - 3, як це показано на Фіг.1. Плівку 3 одержують при формуванні дифузійних областей 4 домішкою протилежного типу провідності по відношенню провідності вихідної пластини. На першому блоці ділянок у плівці 3 виконують вікна 5, через які формують канавки 6, як це показано на Фіг.2. Проводять перше селективне видалення залишків першої товстої плівки SiO2 3 і при легуванні, в залежності від домішки, глибин дифузії та канавок, одержують або шари колектора 7 (Фіг.3), або колектора 7 та бази 14, або колектора 7, бази 14 та емітера 17. Створюють другу товсту плівку SiO2 - 8 (Фіг.4). На другому блоці ділянок у плівці 2 Sі3N4-SiO2 виконують вікна 9, через які формують канавки 10, як це показано на Фіг.4. Проводять друге селективне видалення залишків плівки Si3N4 - SiO2 - 2. Далі, при легуванні в залежності від типу провідності домішки, одержують або шари колектора 11 на ділянці бокових поверхонь канавок (Фіг.5) та ділянці 12 селективного травлення залишків плівки 2, або колектора 11, 12 та бази 15. Осаджують полікремній 13 та формують КСДІ. При цьому створюють шини Si 16. Потім формують шари або бази 14, бази 15, емітерів 17, 18 (Фіг.6), або емітерів 17, 18 (Фіг.7), або емітера 18 з одночасним виконанням кілець 19 на ділянці емітера 17, які відокремлюють емітер 17 від колектора 7 (Фіг.8). Приклад конкретного виконання 1. Інтегральні схеми з комплементарними транзисторами формують на пластинах кремнію 1 (Фіг.1) з орієнтацією поверхні (100) електронного типу провідності з питомим опором 12 Ом×см та товщиною 500 мкм. На ній формують тонку плівку термічного двоокису кремнію товщиною 0,6±0,01 мкм і осаджують плівку нітриду кремнію Si3N4-SiO2 - 2 товщиною 0,16 мкм. В плівці Si3N4-SiO2 - 2 за допомогою фотолітографії формують вікна, скрізь котрі проводять дифузію бору і формують ділянки 4 в кремнію 1 з дірковою провідністю товщиною 25 мкм і питомим опором 1-2 Ом×см. Кремній діркового типу провідності у вікнах Si3N4-SiO2-2 окислюють і формують першу товсту плівку термічного двоокису кремнію 3 товщиною 0,30,6 мкм. Потім проводять другу фотолітографію і в плівці SiO2 - 3 відкривають вікна 5 шириною 32 мкм (Фіг.2). Крізь вікна 5 проводять травлення кремнію в ділянках 4 і формують канавки 6 глибиною 21-23 мкм. Потім без проведення фотолітографії виводять за допомогою селективного травлення у розчині на основі плавикової кислоти залишки плівки SiО2 - 3 (Фіг.3). На цих ділянках формується легований захований шар. Наведений приклад розглядає формування захованого шару з провідністю, яка співпадає з провідністю відкритої від діелектрика ділянкою кремнію. На ділянці кремнію 4 та канавок проводять дифузію бору на глибину 5-6 мкм та формують р+сс захований шар 7, який легований бором (Фіг.3). Легований шар на бокових поверхнях канавок 6 у подальшому буде виконувати функції глибокого колектора. Кремній р+сс 7 окислюють і формують другу товсту плівку SiО2 8 товщиною 1,1±0,1 мкм. Потім проводять третю фотолітографію по кремнію електронного типу провідності і шляхом селективного травлення відкривають вікна 9 шириною 32 мкм в плівках 2 Si3N4-SiO2 (Фіг.4). Проводять анізотропне травлення кремнію 1 у відкритих вікнах 10 і формують канавки глибиною 21-23 мкм. Після чого на відкритому кремнію канавок формують плівку термічного окису 11 товщиною 0,06±0,01 мкм. Потім за допомогою плазмохімічного травлення у робочому газі з хладоном-218 протягом 2-3 хвилин проводять селективне травлення залишків плівок Si3N4 -SiO2 - 2. Для забезпечення технологічності можлива заміна плазмохімічного травлення плівки Si3N4-SiO2 в робочому газі з використанням хладону-218 на рідинне селективне травлення Si3N4 до SiО2 в нагрітій ортофосфорній кислоті, в якій плівка двоокису кремнію не травиться. Для цього після формування другої групи канавок у кремнію n-типу провідності виконують термічне окислення та формують тонку плівку двоокису кремнію 11 товщиною 0,06±0,01 мкм. Потім залишки плівки нітриду кремнію селективно виводять кип'ятінням в концентрованій ортофосфорній кислоті протягом 45-50 хвилин. Після чого у буферному травнику, який має плавикову кислоту, стравлюють тонку плівку двоокису кремнію товщиною 0,06±0,01 мкм, при цьому товщина товстої плівки двоокису кремнію зменшується з 1,1±0,1 мкм до 1,03±0,1 мкм, тому маскуючі та ізолюючі властивості товстої плівки двоокису кремнію 8 не порушуються. За допомогою дифузії фосфору одночасно формують n+cc шар 12 (Фіг.5) та дифузійну ділянку глибокого колектора n-р-n транзистора (Фіг.6) вздовж бокових поверхонь канавок 10 в кремнії 1. В граничних ділянках Si першої і другої групи канавок самосумісно створюють структури n+-р+. При формуванні n+сс шару 12 створюють цільну плівку двоокису кремнію 1,1±0,1 мкм. Після формування структури, яка зображені на Фіг.5, проводять осадження плівки полікремнію 13 (Фіг.6), шліфовку монокристалічного кремнію 1 до відкривання канавок 6 та 10 і отримання структури КСДІ. Далі формують загальні шини провідності в ізольованих перехідних ділянках монокристалічного кремнію, які розташовують між ділянками монокристалічного кремнію протилежного типу провідності. За допомогою процесів дифузії бору та фосфору виконують бази та емітера р-n-p 14 та n-р-n 15 транзисторів. Створюють металізацію і захищають діелектричною плівкою SiO2. Приклад конкретного виконання 2. У наведеному прикладі можливе зменшення кількості фотолітографій на дві фотолітографії дифузійного формування баз. Для цього леговані заховані шари створюють з провідністю, протилежною провідності селективно відкритого кремнію 1 та 4, канавок 6 та 10. Так, на структурі, яка зображена на Фіг.3, проводять дифузію фосфору і формують n+сс замість р+cc 7, який у подальшому трансформується в колектор n-р-n транзистора 17, який зображений на Фіг.7. А над кремнієм 1 n-типу провідності (Фіг.4, Фіг.5) проводять дифузію бору і створюють р +сс, замість n+cc 11, який у подальшому трансформується в колектор р-n-ртипу транзистора 18, зображений на Фіг.7. Після формування структури КСДІ (Фіг.7) проводять тільки дифузію домішок для формування емітерів, а матеріалами для баз є ділянки кремнію 4 і 1 р- і n-типів провідності, які знаходяться в ізольованих ділянках. Формування ділянки протилежного типу провідності 4 на глибину, меншу глибини канавки, дозволяє сформувати структуру, в якій емітером буде ділянка кремнію 1, що дає можливість сформувати n-р-n і р-n-р комплементарні транзисторні структури одразу після формування КСДІ і формування другого емітера, розширити електричні можливості транзистора та додатково зменшити на одну фотолітографію відкривання вікон під дифузію фосфору. При формуванні другого емітера, в нашому прикладі р-типу провідності, та одночасно в ділянці n- емітера виконують дифузійні кільця р-типу провідності, які відокремлюють емітер від n+-колектора, як це зображено на Фіг.8. Якщо поблочні ділянки протилежного типу провідності по відношенню до провідності пластини формують на глибину, меншу глибини канавок на товщину шару емітера, а сховані шари виконують за допомогою дифузії легуючих домішок протилежного типу провідності по відношенню до провідності ділянок пластини, що легують, одночасно виконують дифузію або селективне травлення і дифузію домішки для емітера одного типу транзисторів та для ізоляції р-n переходом між емітером та колектором для другого типу транзисторів, тим самим формують одночасно емітера для обох типів транзисторів. Селективне травлення дозволяє проводити травлення різних типів транзисторів в області емітерів на різну глибину. Так, в одному із транзисторів травлення кремнію n-типу проводиться селективно до кремнію р-типу провідності, тобто до рівня р-n - переходу блочного легування. Травлення проводять в 5% розчині КОН при температурі 70-80°С. Таким чином відновлюють рівень початкової поверхні (вихідної перед формуванням КСДІ), що дозволяє ефективно керувати товщиною ефективної бази транзисторів. У другому за типом транзисторі одночасно проводять травлення на глибину, оптимальну для формування ефективної бази. При формуванні комплементарних транзисторів, згідно з наведеним прикладом, між острівцями з р-n-р та n-рn структурами (Фіг.6, Фіг.7) створюються n острівки з діодними структурами 16 з монокристалічним кремнієм, легованим при формуванні р+сс 7 та n+cc 12. Такі самосуміщені ділянки використовують для формування діодних n-р структур і для формування шин Si. З метою формування діодних структур та шин Si необхідної конфігурації ділянки монокристалічного кремнію протилежного типу провідності, з р-n-р і n-р-n транзисторними структурами, розташовують поблочно. Поблочні ділянки розташовують в геометричній конфігурації, яка задається функціональною необхідністю. З'єднання шин Si з р-n-р і n-р-n транзисторними структурами проводять за допомогою шин полікремнію або алюмінію (шару металізації). Таким чином, спосіб дозволяє формувати кремнієві структури, які містять комплементарні транзистори з повною діелектричною ізоляцією. Пробивну напругу таких транзисторів визначають глибиною островків монокремнію, причому глибини ізоляції островків протилежного типу провідності можуть бути різні за товщиною.