RU2298856C2 - Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor - Google Patents
Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2298856C2 RU2298856C2 RU2004117756/28A RU2004117756A RU2298856C2 RU 2298856 C2 RU2298856 C2 RU 2298856C2 RU 2004117756/28 A RU2004117756/28 A RU 2004117756/28A RU 2004117756 A RU2004117756 A RU 2004117756A RU 2298856 C2 RU2298856 C2 RU 2298856C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- silicon
- gate
- transistor
- island
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 14
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 16
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 78
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 8
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 7
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 5
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 108010075750 P-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 1
- 229910008045 Si-Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008065 Si-SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006411 Si—Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006405 Si—SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000002894 chemical waste Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- -1 phosphorus ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении интегральных схем на базе структур "кремний на сапфире" (КНС), широко используемых для создания цифровых, цифроаналоговых и аналого-цифровых КМОП БИС, а также КМОП БИС повышенной надежности и устойчивых к радиационным воздействиям.The invention relates to the field of microelectronics and can be used in the manufacture of integrated circuits based on "silicon on sapphire" (SSC) structures, widely used to create digital, digital-analog and analog-digital CMOS LSIs, as well as CMOS LSIs of increased reliability and resistant to radiation influences .
Наиболее распространенное применение указанная элементная база получила в специальной радиоэлектронной аппаратуре для космических исследований, радиолокации, связи и телекоммуникаций, ликвидации последствий радиационных и других экологических катастроф, утилизации ядерных и химических отходов, а также в аппаратуре специального и гражданского назначения.The indicated element base was most widely used in special radio-electronic equipment for space research, radar, communications and telecommunications, liquidation of consequences of radiation and other environmental disasters, nuclear and chemical waste disposal, as well as in equipment for special and civil purposes.
Известен МДП - транзистор на КНС с индуцированным каналом, в котором сформирована дополнительная инверсионная область, делящая канал в приповерхностной области на две части: одна - между истоком и инверсионной областью, другая - между инверсионной областью и стоком. Таким образом, эффективная длина канала уменьшается на длину инверсионной области, что позволяет получать короткоканальные транзисторы. (В.Федоров "За бугром - хуже" в разделе "Комиссионка". Научно-технический журнал "Техника молодежи", 1998 г., № 2, стр.42).Known MIS transistor on the SSC with an induced channel, in which an additional inversion region is formed, dividing the channel in the surface region into two parts: one between the source and the inversion region, the other between the inversion region and the drain. Thus, the effective channel length is reduced by the length of the inversion region, which allows to obtain short-channel transistors. (V. Fedorov “Over the hill is worse” in the “Commission” section. Scientific and technical journal "Youth Technology", 1998, No. 2, p. 42).
Недостатком описанной структуры МДП - транзистора на КНС является сложность воспроизведения геометрических параметров запирающих областей канала и соответственно выходных характеристик транзистора при размере канала менее 1,5 мкм, что ухудшает надежность устройства и ограничивает возможности его применения при реализации субмикронных транзисторов с длиной канала менее 1,5 мкм.The disadvantage of the described structure of the MOS transistor on the SPS is the difficulty of reproducing the geometric parameters of the locking areas of the channel and, accordingly, the output characteristics of the transistor with a channel size of less than 1.5 μm, which impairs the reliability of the device and limits the possibility of its use in the implementation of submicron transistors with a channel length of less than 1.5 microns.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является МОП - полевой транзистор (МОП-ПТ) с индуцированным каналом на базе структуры КНС. (Патент США № 4106045, МКИ 2 Н01L 29/78, опубл.08.08.1978 г.).The closest in technical essence to the proposed device is a MOSFET - field effect transistor (MOSFET) with an induced channel based on the structure of the SPS. (US Patent No. 4106045, MKI 2 H01L 29/78, published 08/08/1978).
МОП-полевой транзистор (МОП-ПТ) с индуцированным каналом на базе структуры КНС содержит планарно сформированные в островке слоя кремния области истока и стока n+-типа проводимости, а также расположенную между ними область р-типа проводимости, в которой индуцируется канал. С целью увеличения быстродействия прибора в режиме переключения, в слое кремния у границы с сапфировой подложкой между n+-областью истока и р-областью, в которой индуцируется канал, создается р+-область. Дополнительная р+-область поддерживает потенциал подложки равным потенциалу истока, тем самым препятствует накоплению дырок в области канала и исключает "кинк эффект".An MOS field-effect transistor (MOSFET) with an induced channel based on the SSC structure contains the source and drain regions of the n + type of conductivity planarly formed in the island of the silicon layer and the p-type conduction region located between them, in which the channel is induced. In order to increase the speed of the device in the switching mode, a p + region is created in the silicon layer at the boundary with the sapphire substrate between the n + region of the source and the p region in which the channel is induced. An additional p + region maintains the substrate potential equal to the source potential, thereby preventing the accumulation of holes in the channel region and eliminating the kink effect.
Недостатком описанной структуры является применение ее только для n-канальных транзисторов. При этом заметного увеличения быстродействия формирование дополнительной р+-области не обеспечивает, так как эффективная длина канала транзистора не уменьшается.The disadvantage of this structure is its use only for n-channel transistors. Moreover, the formation of an additional p + region does not provide a noticeable increase in speed, since the effective channel length of the transistor does not decrease.
Известен способ формирования МДП - транзистора на структуре КНС. (В.Федоров "За бугром - хуже" в разделе "Комиссионка". Научно-технический журнал "Техника молодежи", 1998 г., № 2, стр.42).A known method of forming a MIS transistor on the structure of the SSC. (V. Fedorov “Over the hill is worse” in the “Commission” section. Scientific and technical journal "Youth Technology", 1998, No. 2, p. 42).
В известном способе в созданных методом литографии островках кремния на подложке из сапфира с помощью маскирования и ионной имплантации формируют карманы n-типа и p-типа проводимости. Далее поверхности кремниевых островков n-типа и p-типа проводимости подвергают термическому окислению для формирования подзатворного диэлектрика из диоксида кремния. Затем с помощью фотолитографии маскируют подзатворный оксид кремния SiO2, оставляя незащищенным участок оксида кремния в центральной области канала транзистора, при этом размер незащищенной области составляет не более 1/3 длины канала транзистора. А после травления незащищенного подзатворного оксида кремния удаляют маску. На поверхности подзатворного оксида кремния и центральные области канала транзистора, свободные от оксида кремния, наносят нитрид кремния Si3N4, обеспечивая при этом формирование "встроенного" канала или инверсионной области на границе раздела Si-Si3N4 и запирающих областей в канале транзистора на границе раздела Si-SiO2-Si3N4. Далее формируют затвор из поликристаллического кремния, методом ионной имплантации формируют области стоков и истоков, а после нанесения межслойной изоляции и вскрытия контактных окон напыляют контакты.In the known method, in the islands of silicon created by lithography, pockets of n-type and p-type conductivity are formed on the sapphire substrate using masking and ion implantation. Next, the surfaces of n-type and p-type silicon islands are thermally oxidized to form a gate dielectric of silicon dioxide. Then, using a photolithography, the gate silica SiO 2 is masked, leaving a portion of silicon oxide in the central region of the transistor channel unprotected, while the size of the unprotected region is not more than 1/3 of the length of the transistor channel. And after etching the unprotected gate silica, the mask is removed. Silicon nitride Si 3 N 4 is deposited on the surface of the gate silicon oxide and the central regions of the transistor channel free of silicon oxide, while ensuring the formation of an “embedded” channel or inversion region at the Si-Si 3 N 4 interface and the locking regions in the transistor channel at the interface of Si-SiO 2 -Si 3 N 4 . Next, a shutter is formed of polycrystalline silicon, the regions of drains and sources are formed by the method of ion implantation, and after the interlayer insulation is applied and the contact windows are opened, the contacts are sprayed.
Поскольку для создания предлагаемой инверсионной области предусматривается использование разных диэлектрических покрытий в качестве подзатворного диэлектрика (SiO2 и Si3N4) или необходима перекомпенсация легирующей примеси в приповерхностной области канала с помощью ионной имплантации, то реализация такого способа очень трудоемка и дорогостоящая, требует также использования дополнительного фотолитографического оборудования с разрешением в несколько раз лучше, чем у базового производства, что не реально при изготовлении транзисторов с длиной канала менее 1,5 мкм.Since the creation of the proposed inversion region involves the use of different dielectric coatings as a gate insulator (SiO 2 and Si 3 N 4 ) or it is necessary to overcompensate the dopant in the surface region of the channel using ion implantation, the implementation of this method is very time-consuming and expensive, it also requires the use of additional photolithographic equipment with a resolution is several times better than that of the base production, which is not realistic when manufacturing a transistor s with a channel length of less than 1.5 microns.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления структуры МОП-полевого транзистора (МОП-ПТ) с индуцированным каналом на базе структуры КНС по патенту США № 41006045. (Патент США № 4106045, МКИ 2 Н01L 29/78, опубл.08.08.1978 г.).Closest to the technical nature of the proposed method is a method of manufacturing a structure of a MOSFET (MOSFET) with an induced channel based on the structure of the SSC according to US patent No. 41006045. (US Patent No. 4106045, MKI 2 H01L 29/78, published 08.08.08 .1978).
В известном способе первоначально на подложке из сапфира (AL2О3) формируют островки кремния (Si). Затем для формирования канала p-типа проводимости островки кремния с помощью маскирования и ионной имплантации легируют примесью p-типа проводимости, подвергают термическому окислению и формируют подзатворный диэлектрик из оксида кремния и затвор из поликристаллического кремния. После чего изготавливают области стоков и истоков. Особенностью изготовления n-канальных транзисторов является то, что в них проводят формирование дополнительной р+-области. Дополнительная р+-область создается в слое кремния у границы с сапфировой подложкой между n+-областью истока и р-областью, в которой индуцируется канал транзистора. Формирование р+-области проводят путем бомбардировки протонами соответствующей области с последующим отжигом при температуре 800°-1000°С, одновременно с активацией примеси в стоковых и истоковых областях транзисторов, при этом в областях, подвергнутых протонной бомбардировке, происходит активная диффузия алюминия из сапфира в кремний с образованием р+-области. Далее после нанесения межслойной изоляции и вскрытия контактных окон изготавливают алюминиевые контакты.In the known method, initially islands of silicon (Si) are formed on a sapphire substrate (AL 2 O 3 ). Then, to form a p-type channel of conductivity, silicon islands by masking and ion implantation are doped with an impurity of p-type conductivity, subjected to thermal oxidation, and a gate dielectric of silicon oxide and a gate of polycrystalline silicon are formed. After that, areas of drains and sources are made. A feature of the manufacture of n-channel transistors is that they form an additional p + region. An additional p + region is created in the silicon layer at the boundary with the sapphire substrate between the n + region of the source and the p region in which the transistor channel is induced. The formation of the p + region is carried out by bombardment with protons of the corresponding region, followed by annealing at a temperature of 800 ° -1000 ° C, simultaneously with the activation of the impurity in the drain and source regions of the transistors, while in the regions subjected to proton bombardment, aluminum diffuses actively from sapphire to silicon with the formation of p + -regions. Then, after applying interlayer insulation and opening the contact windows, aluminum contacts are made.
Известный способ не решает главной задачи, а именно повышения быстродействия, а позволяет только исключить "кинк эффект" у n-канального транзистора.The known method does not solve the main problem, namely improving performance, but only allows to exclude the "kink effect" in the n-channel transistor.
Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:
- необходимость включения в технологический цикл сложного дополнительного оборудования;- the need to include complex additional equipment in the technological cycle;
- ограниченное применение способа, поскольку способ может быть реализован только для n-канальных транзисторов.- limited application of the method, since the method can be implemented only for n-channel transistors.
Настоящее изобретение касается структуры МДП-транзистора на КНС и способа ее изготовления.The present invention relates to the structure of an MOS transistor on an SSC and a method for its manufacture.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание МДП-транзистора, структура канала которого позволяет значительно уменьшать его эффективную длину при сохранении размеров затвора и толщины подзатворного диэлектрика.The technical problem to which the invention is directed is the creation of an MIS transistor whose channel structure can significantly reduce its effective length while maintaining the dimensions of the gate and the thickness of the gate dielectric.
Техническим результатом от использования изобретения является:The technical result from the use of the invention is:
- существенное улучшение выходных характеристик транзистора по току (быстродействия, коэффициента усиления) при сохранении его надежности за счет устранения возможности пробоя в области запирания,- a significant improvement in the output characteristics of the transistor in current (speed, gain) while maintaining its reliability by eliminating the possibility of breakdown in the locking region,
- значительное повышение надежности устройства в целом,- a significant increase in the reliability of the device as a whole,
- расширение области применения предлагаемого транзистора.- expanding the scope of the proposed transistor.
Поставленная техническая задача решается тем, что в МДП-транзисторе на структуре кремний на сапфире, содержащем сформированные планарно в островке слоя кремния на подложке из сапфира области истока и стока и расположенный между ними канал с изолированным затвором, согласно предложенному изобретению, пограничная с истоком часть канала выполнена из кремния собственного типа проводимости.The stated technical problem is solved in that in a MIS transistor on a sapphire-silicon structure containing the source and drain regions formed by planar in an island of silicon layer on a sapphire substrate and an isolated gate located between them, according to the invention, the channel boundary with the source made of silicon of its own type of conductivity.
Поставленная техническая задача решается также тем, что в способе изготовления МДП-транзистора на структуре кремний на сапфире, включающем создание на подложке из сапфира островка слоя кремния собственной проводимости, формирование в нем канала транзистора путем легирования островка кремния примесью, соответствующей типу канала, с последующим созданием подзатворного диэлектрика и затвора, а затем изготовление областей истока и стока, согласно предложенному изобретению, перед легированием островка кремния примесью, соответствующей типу канала, маскируют часть островка кремния, а после легирования немаскированной (открытой) его части и до создания подзатворного диэлектрика и затвора удаляют маску с части островка кремния собственного типа проводимости, кроме того, часть затвора создают над частью островка кремния собственного типа проводимости, при этом области истока изготавливают в части островка кремния собственного типа проводимости, а области стока изготавливают в части островка кремния, легированного примесью, соответствующей типу канала.The stated technical problem is also solved by the fact that in the method of manufacturing an MIS transistor on a sapphire-silicon structure, comprising creating a silicon layer of intrinsic conductivity on a sapphire substrate from an island, forming a transistor channel in it by doping the silicon island with an impurity corresponding to the type of channel, followed by creating gate dielectric and gate, and then the manufacture of the source and drain areas, according to the proposed invention, before alloying a silicon island with an impurity corresponding to the channel’s ip, mask part of the silicon island, and after doping the unmasked (open) part of it and until the gate insulator and gate are created, the mask is removed from the part of the silicon island of its own type of conductivity, in addition, part of the gate is created above the part of the silicon island of its own type of conductivity, source regions are made in a part of a silicon island of their own type of conductivity, and drain regions are made in a part of a silicon island doped with an impurity corresponding to the type of channel.
Формирование пограничной с истоком части канала транзистора из кремния собственного типа проводимости, далее которую для краткости можно называть "вставкой", позволяет без изменения размера затвора уменьшать эффективную длину канала за счет повышенной подвижности и скорости носителей тока в части канала с собственным типом проводимости кремния, обеспечивая при этом высокую надежность воспроизведения запирающей части канала. Кроме того, отсутствие легирующей примеси в области "вставки" снижает количество центров рассеяния носителей заряда. "Вставка" позволяет также понизить пороговое напряжение транзистора за счет низкой концентрации носителей заряда в области "вставки" и одновременно увеличить подвижность, что резко увеличивает выходные характеристики по току более чем в 1,5 раза при одинаковом размере длины канала транзистора по затвору. Выполнение части канала из кремния собственного типа проводимости в предлагаемом способе изготовления обеспечивается совокупностью операций: маскирование части островка кремния собственного типа проводимости, легирование не маскированной части островка кремния с последующим формированием части затвора над частью островка кремния собственного типа проводимости. Выполнение части канала собственного типа проводимости в виде пограничной с истоком области обеспечивается созданием областей истока в части островка кремния собственного типа проводимости. Высокая воспроизводимость структуры транзистора предлагаемым способом обеспечивает надежность приборов.The formation of the intrinsic type of transistor channel adjacent to the source of the channel from silicon, hereinafter referred to as insert for brevity, allows the effective channel length to be reduced without changing the gate size due to the increased mobility and speed of current carriers in the channel part with the silicon native type of conductivity, providing while high reliability of reproduction of the locking part of the channel. In addition, the absence of a dopant in the “insert” region reduces the number of charge carrier scattering centers. The “insert” also makes it possible to lower the threshold voltage of the transistor due to the low concentration of charge carriers in the region of the “insert” and at the same time increase the mobility, which sharply increases the current output characteristics by more than 1.5 times for the same gate length of the transistor channel. The implementation of the channel part from silicon of its own type of conductivity in the proposed manufacturing method is ensured by a set of operations: masking part of the silicon island of its own type of conductivity, doping the unmasked part of the silicon island with the subsequent formation of a part of the gate over the part of the silicon island of its own type of conductivity. The implementation of the channel part of the intrinsic type of conductivity in the form of a boundary with the source region is provided by the creation of source regions in the part of the silicon island of the intrinsic type of conductivity. High reproducibility of the transistor structure of the proposed method ensures the reliability of the devices.
Кроме того, сохранение размеров затвора за счет выполнения части канала из Si собственного типа проводимости обеспечит получение выходных характеристик короткоканального транзистора при большей толщине подзатворного диэлектрика, что позволит:In addition, the preservation of the gate size due to the implementation of part of the channel from Si of its own type of conductivity will provide output characteristics of a short-channel transistor with a larger thickness of the gate dielectric, which will allow:
- повысить устойчивость к пробою от статического электричества;- increase the resistance to breakdown from static electricity;
- не снижать напряжение питания и тем самым повысить помехозащищенность транзистора.- do not reduce the supply voltage and thereby increase the noise immunity of the transistor.
Техническим результатом от использования предложенного изобретения являются реализация и обеспечение выходных характеристик короткоканального транзистора при относительно больших размерах затвора, что позволяет:The technical result from the use of the proposed invention is the implementation and provision of output characteristics of a short-channel transistor with relatively large gate sizes, which allows:
- использовать бóльшую толщину подзатворного диэлектрика,- use a larger thickness of the gate dielectric,
- повысить устойчивость к пробою от статического электричества,- increase the resistance to breakdown from static electricity,
- сохранить прежнее напряжение питания,- maintain the same supply voltage,
- повысить помехозащищенность транзистора,- increase the noise immunity of the transistor,
- увеличить выходные характеристики (коэффициент усиления, быстродействие) более чем в 1,5 раза при одинаковом размере длины канала транзистора по затвору за счет увеличения подвижности носителей заряда в области канала транзистора, изготовленного из кремния собственной проводимости и уменьшения эффективной длины канала транзистора.- increase the output characteristics (gain, speed) by more than 1.5 times with the same transistor channel length along the gate by increasing the mobility of charge carriers in the region of the transistor channel made of intrinsic silicon and reducing the effective channel length of the transistor.
Для достижения вышеописанных технических результатов в стандартном варианте исполнения транзистора (без "вставки" в канале) необходимо было бы уменьшить длину канала транзистора по затвору не менее чем в 1,3 раза.To achieve the above technical results in the standard embodiment of the transistor (without "insertion" in the channel) it would be necessary to reduce the channel length of the transistor by the gate by at least 1.3 times.
Сущность изобретения поясняется на фиг 1-7, гдеThe invention is illustrated in Fig 1-7, where
на фиг.1 представлена структура p(n)-канального МДП-транзистора на КНС в разрезе;figure 1 presents the structure of the p (n) -channel MOS transistor on the SSC in the context;
на фиг.2 показан этап формирования границы между запирающей частью канала и его частью с собственной проводимостью;figure 2 shows the stage of forming the boundary between the locking part of the channel and its part with its own conductivity;
на фиг.3 и фиг.4 показаны этапы формирования подзатворного диэлектрика и затвора;figure 3 and figure 4 shows the steps of forming a gate dielectric and a gate;
на фиг.5 показан этап формирования сильнолегированных областей истока и стока;figure 5 shows the stage of formation of highly doped areas of the source and drain;
на фиг.6 показан этап формирования слаболегированных областей истока и стока, а также границ индуцируемого канала;figure 6 shows the stage of formation of lightly doped areas of the source and drain, as well as the boundaries of the induced channel;
на фиг.7 приведены выходные вольтамперные характеристики известного n-канального МДП-транзистора на КНС с длиной канала L=1,5 мкм (III) и предлагаемого исполнения n-канального МДП-транзистора на КНС при размерах маскированной области, составляющей 1/2L канала (I) и 3/4L канала (II) соответственно.Fig.7 shows the output current-voltage characteristics of the known n-channel MOS transistor on the SPS with a channel length of L = 1.5 μm (III) and the proposed design of the n-channel MOS transistor on the SPS with the size of the masked region of 1 / 2L channel (I) and 3 / 4L channel (II), respectively.
МДП-транзистор на КНС (фиг.1) содержит подложку 1 из сапфира (AL2О3); островок полупроводникового кремния (Si) 2 со сформированными в нем сильнолегированными областями 3 и 4, слаболегированными областями 5 и 6 истока и стока соответственно. Между областями 5 и 6 истока и стока расположена область индуцируемого канала 7, который разделен на легированную (запирающую) часть 8 и часть с собственной (i) проводимостью 9. Устройство содержит подзатворный диэлектрик 10, например из двуокиси кремния (SiO2); затвор 11, например из легированного поликремния; контактные площадки 12, 13, 14 с выводами к областям 3, 4 истока и стока и к каналу 7 соответственно; межслойную изоляцию 15, например, из слоев двуокиси кремния SiO2 и нитрида кремния (Si3N4). Длина канала 7 определяется длиной L затвора 11. Длина l части с собственным типом проводимости 9 канала 7 для p- и n-канальных МДП-транзисторов выбирается с учетом требуемых характеристик p- и n-канальных МДП-транзисторов, в зависимости от режимов работы. Например, в КМОП схеме желательно иметь одинаковый коэффициент усиления. Если используется один тип транзистора, то возможно использование конструкции с максимальным коэффициентом усиления.MOS transistor on the SSC (figure 1) contains a
На фиг.2, 3, 4, 5, 6, иллюстрирующих последовательность формирования областей истока, стока и канала предлагаемой конструкции МДП-транзистора, показаны позиции на промежуточных этапах ее формирования: граница 16 между легированной запирающей частью 8 индуцированного канала 7 и его частью с собственной проводимостью 9; формируется маской из фоторезиста 17 (фиг.2); слой оксида кремния (SiO2) 18 для создания подзатворного диэлектрика 10; слой поликремния 19 и маска 20 из фоторезиста для формирования затвора 11 (фиг.3, 4); маска 21 из фоторезиста для формирования сильнолегированных областей 3 и 4 соответственно истока и стока (фиг.5) и слаболегированных областей 5 и 6 истока и стока (фиг.6).Figure 2, 3, 4, 5, 6, illustrating the sequence of formation of the source, drain and channel areas of the proposed design of the MOS transistor, shows the positions at the intermediate stages of its formation: the
Предлагаемый МДП-транзистор на КНС с любым типом канала работает следующим образом.The proposed MOS transistor on the SSC with any type of channel works as follows.
При отсутствии напряжения питания (фиг.1) на затворе 11 канал 7 длиной L запирается в основном его частью 8, поскольку для транзисторов с любым типом канала часть с собственньм типом проводимости 9 в канале 7 имеет пониженное значение порогового напряжения. При подаче смещения на затвор 11 в части 9 канала 7 уже при малых значениях Uвх (например, 1 В) из-за малого порогового напряжения благодаря низкой концентрации носителей заряда в этой области наступает заметная инверсия заряда и появляется большое количество носителей тока соответствующего типа. При дальнейшем увеличении входного напряжения на затворе 11 открывается запирающая часть 8 канала 7 и значение тока Iвых достигает практически при пониженном питании (например, ≤3В) таких значений, которые в известных транзисторах (с каналом без пограничной с истоком части собственного типа проводимости) могут не всегда быть достигнуты при Uвх=5В (см. фиг.7). Такие результаты обеспечиваются благодаря повышенной подвижности носителей тока в части 9 канала 7 и малого количества центров рассеяния из-за отсутствия легирующей примеси в части 9 канала, а также существенному уменьшению эффективной длины канала 7, так как запирающей областью в канале 7 является лишь его часть 8, поэтому увеличивается быстродействие прибора, что подтверждено на фиг.7 увеличением крутизны (см. выходные характеристики) вольтамперных характеристик n-канальных МДП-транзисторов предложенной конструкции.In the absence of a supply voltage (Fig. 1) on the
При использовании предлагаемой конструкции p- и n-канальных МДП-транзисторов на КНС достигаются следующие технические преимущества.Using the proposed design of p- and n-channel MOS transistors on the SPS, the following technical advantages are achieved.
1. Увеличивается быстродействие устройства путем выполнения пограничной с истоком части канала из кремния собственной проводимости за счет повышения подвижности и скорости носителей тока, а также уменьшения эффективной длины канала.1. Increases the speed of the device by performing boundary with the source part of the channel of silicon intrinsic conductivity by increasing the mobility and speed of current carriers, as well as reducing the effective length of the channel.
2. Увеличивается коэффициент усиления за счет снижения центров рассеяния и числа столкновений носителей тока с дефектами собственного типа проводимости.2. The gain is increased by reducing the scattering centers and the number of collisions of current carriers with defects of their own type of conductivity.
3. Увеличивается надежность и помехозащищенность устройств за счет возможности использования в субмикронных транзисторах подзатворного диэлектрика с большей толщиной оксида кремния, так как предлагаемая конструкция обеспечивает возможность сохранения повышенного напряжения питания.3. The reliability and noise immunity of the devices is increased due to the possibility of using a gate dielectric with a larger thickness of silicon oxide in submicron transistors, since the proposed design makes it possible to maintain an increased supply voltage.
4. Увеличивается экономичность предлагаемых устройств, поскольку не требуется больших затрат на модернизацию производственных мощностей для уменьшения проектных норм, а также у потребителей появляется возможность сохранения прежнего напряжения питания в устройствах, так как снижение напряжения питания требует дополнительных затрат.4. The efficiency of the proposed devices is increased, since it does not require large expenses for the modernization of production capacities to reduce design standards, and consumers also have the opportunity to maintain the same supply voltage in the devices, since reducing the supply voltage requires additional costs.
Установлено, что коэффициент усиления (Кус) 1,5 для n-канального транзистора с длиной затвора L=1,5 мкм достигается при размере l "вставки", выполненной из Si собственного типа проводимости в части 9 канала 7, равном 1/2 (0,75 мкм) от длины L затвора. Для p-канального транзистора коэффициент усиления 1,5 достигается при размере l части 9 из Si собственного типа проводимости, равном 3/4 от длины L затвора (≤1 мкм). Увеличение размера части 9 канала 7 для n-канального транзистора более 1/2 до 3/4 от длины L затвора 11 приводит к увеличению коэффициента усиления до значений 1,8-2. Применение таких n-канальных транзисторов возможно в схемах, когда они не работают в паре с p-канальными транзисторами, чтобы не приводить к нарушению стабильности работы схемы, поэтому, в случае КМОП схем, когда одновременно работают n- и p-канальные транзисторы, для n-канальных целесообразно значение l "вставки" 9 ограничить размером 1/2L. Размер l части 9 канала 7, равный 3/4 от длины L затвора 11 для p-канального транзистора, не ухудшает характеристики p-канального транзистора по входным токам потребления и пробивному напряжению стокового перехода. Для того, чтобы получить одинаковый коэффициент усиления у n- и p-канальных транзисторов с одинаковыми проектными нормами (по затвору) из-за разной подвижности носителей тока (дырок и электронов) для n-канальных транзисторов маскируемая область "вставки" l должная составлять, например 1/2 от области L, а для p-канальных транзисторов маскируемая область "вставки" l должна составлять 3/4 от области L.It was found that the gain (K whisker ) 1.5 for an n-channel transistor with a gate length L = 1.5 μm is achieved with a size l of an “insert” made of Si own type of conductivity in
Способ изготовления МДП-транзистора на структуре кремний на сапфире показан на конкретных примерах реализации n- и p-канальных транзисторов с длиной канала L (по проектньм нормам затвора) равной 1,5 мкм.A method of manufacturing an MOS transistor on a sapphire-silicon structure is shown with specific examples of the implementation of n- and p-channel transistors with a channel length L (according to the design gate norms) of 1.5 μm.
Пример 1. Пример реализации n-канального транзистора.Example 1. An example implementation of an n-channel transistor.
В процессе формирования канала 7 транзистора расположенный на подложке 1 из Al2O3 островок 2 слоя Si собственного типа проводимости (i-тип) с толщиной 0,3 мкм перед легированием канала 7 маскируют фоторезистом 17 таким образом, чтобы незащищенная часть островка 2 была пролегирована примесью p-типа проводимости (бором). При этом заранее определяется внутренняя граница 16 (фиг.2) запирающей части 8 канала 7. Легирование бором (В) проводят ионной имплантацией в 2-х режимах:In the process of forming
режим 1 - бор имплантируют на границу раздела Al2O3 - Si с энергией Е=150 кэВ и дозой D=0,5 мккул/см2;mode 1 - boron is implanted at the Al 2 O 3 - Si interface with an energy of E = 150 keV and a dose of D = 0.5 μcul / cm 2 ;
режим 2 - бор имплантируют в приповерхностную область с энергией Е=40 кэВ и дозой D=0,3 мккул/см2.mode 2 - boron is implanted in the surface region with an energy of E = 40 keV and a dose of D = 0.3 μcoul / cm 2 .
После снятия слоя 17 фоторезиста проводят подзатворное окисление и формируют слой оксида кремния 18 толщиной 350 Å, а для формирования затвора 11 наращивают слой поликремния 19 толщиной 0,4 мкм (фиг.3) и легируют его диффузией фосфора. Затем проводят с помощью фотолитографии изготовление маски 20 (фиг.3), чтобы часть ее размещалась над частью островка кремния собственного типа проводимости для формирования затвора 11, расположенного как над частью островка Si собственного типа проводимости, так и над легированной частью островка. При этом операцию совмещения шаблона после нанесения фоторезиста проводят, делая привязку к краю островка 2 или к границе 16. В данном примере изготовления при размере маски 1,5 мкм ее располагали над границей 16 с перекрытием в сторону легированной части p-типа на 0,75 мкм (т.е. 1/2 L).After removing the
После травления поликремния 19 и удаления фоторезиста 20 (фиг,4) создают маску 21 (фиг.5) и формируют сильнолегированные области 3 и 4 соответственно истока и стока транзистора. Область 3 формируют в части Si собственного типа проводимости островка 2, а область 4 - в легированной части Si островка 2. Для этого проводят ионную имплантацию фосфора (Р) с энергией Е=40 кэВ и дозой D=700 мккул/см2 (фиг.5). Затем удаляют маску 21 и проводят повторную ионную имплантацию Р с энергией Е=40 кэВ и дозой D=100 мккул/см2 для создания слаболегированных областей 5 и 6 соответственно истока и стока при одновременном формировании внешних границ канала 7 (фиг.6). Активируют легирующие примеси при температуре Т=850°÷900°С, изготавливают межслойную изоляцию 15 из SiO2 и Si3N4 толщиной 0,35 мкм, а после вскрытия контактных окон в межслойной изоляции 15 формируют алюминиевые контакты 12, 13 и 14 к истоку, стоку и каналу 7 соответственно.After etching
Пример 2. Пример реализации p-канального транзистора.Example 2. An example implementation of a p-channel transistor.
Все этапы формирования полупроводниковой структуры предлагаемого транзистора аналогичны этапам, описанным в примере 1 при изготовлении n-канального транзистора. Но на этапе формирования запирающей части 8 канала 7 незащищенную маской 17 часть островка 2 Si легируют примесью n-типа (фосфора) с помощью ионной имплантации, которую проводят двухзарядным фосфором. Так как легирующая примесь фосфора обладает большим ионным радиусом, то пролегировать на всю толщину 0,3 мкм пленки 2 Si ее можно только с большей энергией ионов 200÷250 кэВ. При наличии установки "Лада-30" это обеспечивается двухзарядными ионами фосфора с энергией Е=150 кэВ и дозой D=0,1 мккул/см2.All stages of the formation of the semiconductor structure of the proposed transistor are similar to the steps described in example 1 in the manufacture of an n-channel transistor. But at the stage of forming the locking
Отличием при формировании маски 20 длиной L=1,5 мкм в процессе создания затвора 11 является равная L - l величина перекрытия маски 20 от границы 16 в часть островка 2, легированную примесью n-типа проводимости (фосфором), что для p-канального транзистора может составлять не менее 1/3L, то есть при L=1,5 мкм - не менее 0,5 мкм.The difference in the formation of a
Для формирования сильнолегированных областей 3 и 4 истока и стока соответственно в качестве легирующей примеси используют бор, и проводят ионную имплантацию с энергией Е=40 кэВ и дозой D=500 мккул/см2 To form heavily doped
Повторную имплантацию бором для создания слаболегированных областей 5 и 6 соответственно истока и стока с одновременным образованием внешних границ канала 7 проводят с энергией Е=40 кэВ и дозой D=30 мккул/см2.Re-implantation with boron to create lightly doped
Для создания p- и n-канальных транзисторов с одинаковым коэффициентом усиления, равным, например, Кус=1,5, необходимо для p-канального транзистора размер С части 9 канала 7 выполнить увеличенным.To create p- and n-channel transistors with the same gain equal to, for example, K us = 1.5, it is necessary for the p-channel transistor to increase the size C of
Описанный выше способ может быть использован при создании p- и n-канальных МДП-транзисторов на КНС с коротким каналом и обеспечивает надежную воспроизводимость предлагаемых структур и не требует специального оборудования.The method described above can be used to create p- and n-channel MOS transistors on a SPS with a short channel and provides reliable reproducibility of the proposed structures and does not require special equipment.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004117756/28A RU2298856C2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004117756/28A RU2298856C2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004117756A RU2004117756A (en) | 2005-11-20 |
| RU2298856C2 true RU2298856C2 (en) | 2007-05-10 |
Family
ID=35866997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004117756/28A RU2298856C2 (en) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2298856C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU170578U1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-04-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | MDP TRANSISTOR ON SILICON STRUCTURE ON SAPPHIRE |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3958266A (en) * | 1974-04-19 | 1976-05-18 | Rca Corporation | Deep depletion insulated gate field effect transistors |
| RU2175460C2 (en) * | 1999-11-15 | 2001-10-27 | Бубенников Александр Николаевич | Composite planar silicon-on-insulator neurostructure for ultralarge integrated circuits |
| US6541821B1 (en) * | 2000-12-07 | 2003-04-01 | Advanced Micro Devices, Inc. | SOI device with source/drain extensions and adjacent shallow pockets |
-
2004
- 2004-06-11 RU RU2004117756/28A patent/RU2298856C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3958266A (en) * | 1974-04-19 | 1976-05-18 | Rca Corporation | Deep depletion insulated gate field effect transistors |
| RU2175460C2 (en) * | 1999-11-15 | 2001-10-27 | Бубенников Александр Николаевич | Composite planar silicon-on-insulator neurostructure for ultralarge integrated circuits |
| US6541821B1 (en) * | 2000-12-07 | 2003-04-01 | Advanced Micro Devices, Inc. | SOI device with source/drain extensions and adjacent shallow pockets |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU170578U1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-04-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | MDP TRANSISTOR ON SILICON STRUCTURE ON SAPPHIRE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004117756A (en) | 2005-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Snoeys et al. | A new NMOS layout structure for radiation tolerance | |
| US7161213B2 (en) | Low threshold voltage PMOS apparatus and method of fabricating the same | |
| US20070158741A1 (en) | LDMOS Device and Method of Fabrication of LDMOS Device | |
| US3883372A (en) | Method of making a planar graded channel MOS transistor | |
| US4806500A (en) | Method of producing a large-scale integrated MOS field-effect transistor circuit | |
| US6451676B2 (en) | Method for setting the threshold voltage of a MOS transistor | |
| KR20020025892A (en) | Method of manufacturing a semiconductor device | |
| JP4535669B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| US6350641B1 (en) | Method of increasing the depth of lightly doping in a high voltage device | |
| US6277682B1 (en) | Source drain implant process for mixed voltage CMOS devices | |
| RU2298856C2 (en) | Method for manufacturing silicon-on-sapphire mis transistor | |
| KR0166991B1 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device provided with an isolation region | |
| EP0362147A2 (en) | Fabrication of CMOS integrated devices with reduced gate length | |
| JPH0346238A (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JP4615755B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JPS62262462A (en) | Semiconductor device | |
| KR100552809B1 (en) | Semiconductor device with improved drain-source breakdown voltage and manufacturing method thereof | |
| RU64817U1 (en) | MDP TRANSISTOR ON SILICON STRUCTURE ON SAPPHIRE | |
| JP3354535B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
| JPH05235346A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| JPS6025028B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JPH05291573A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| JPH11204783A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JPH06283713A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
| KR100251989B1 (en) | Method for manufacturing semiconductor device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100612 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130612 |