СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОП-СТРУКТУР Российский патент 1994 года по МПК H01L21/316 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в производстве КМОП полупроводниковых приборов, стойких к воздействию внешних факторов, в частности гамма-излучения.

Известен способ увеличения радиационной стойкости МОП-структур путем термообработки их при температуре 1473 К в атмосфере сухого кислорода с добавлением к окислителю газа NF₃ в количестве 0,1% от общего объема реагента при формировании пленки диоксида кремния на пластине кремния. Увеличение радиационной стойкости МОП-структур в этом случае происходит за счет частичной нейтрализации ионов металлов, например натрия, при γ-облучении в результате разрыва связей типа Si-O-Na [1] .

Однако при этом способе увеличения радиационной стойкости не происходит изменения общего количества неконтролируемой металлической примеси (натрия, меди, золота) в приповерхностной области кремниевой пластины. Эта примесь в дальнейшем диффундирует в SiO₂, в связи с чем эффективная нейтрализация ионов металлов происходит при достаточно большой (0,1% от общего количества реагента) концентрации NF₃, что приводит к росту плотности поверхностных состояний после облучения и к снижению радиационной стойкости вследствие снижения зарядовой стабильности, т. е. смещение порогового напряжения до 5 В при напряжении 5 В и дозе обучения D_γ= 6,3·10⁵рад.

Наиболее близким техническим решением увеличения радиационной стойкости МОП-структур при изготовлении КМОП БИС является способ уменьшения радиационно-индуцированного заяда в пленке диоксида кремния путем быстрого теплового нитрования (БТН) [2] . Для этого после формирования на подложке кремния пленки диоксида кремния проводится отжиг структуры при температуре 1473 К в атмосфере аммиака с концентрацией 1% в течение 30 с. В процессе отжига атомы азота диффундируют в пленку диоксида кремния, образуя оксинитрид кремния, обладающий высокой стойкостью к воздействию гамма-излучения. Слабое радиационно-индуцированное изменение порогового напряжения МОП-структур с оксинитридом кремния обусловлено наличием в оксинитриде кремния наряду с ловушками для дырок, центров захвата электронов, что приводит к компенсации положительного заряда дырок отрицательным зарядом электронов.

Однако при любом термическом или ионизирующем воздействии неконтролируемые металлические примеси поступают в пленку диоксида кремния из объема кремниевой подложки, что резко ухудшает зарядовую стабильность МОП-структуры, ее радиационную стойкость. Минимальное смещение порогового напряжения для МОП-структур, прошедших БТН, составляет при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения при V_G, равным 0 и 5 В соответственно 1,3 и 5,1 В (см. таблицу, пример 12).

Цель изобретения - повышение зарядовой стабильности МОП-структур, стойких к воздействию гамма-излучения, т. е. достижение минимального смещения порогового напряжения, возникающего вследствие воздействия гамма-излучения.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления МОП-структур, включающем формирование пленки диоксида кремния на пластине кремния, отжиг в азотсодержащей среде, нанесение пленки алюминия, фотолитографию, отжиг пластины в азотсодержащей среде проводят перед формированием пленки диоксида кремния при температурах 973-1173 К не менее 3 ч, а в качестве азотсодержащей среды применяется азот, кислород, хлористый водород в массовом соотношении компонентов (0,98-1,02) : (0,01-0,03) : (0,03-0,04).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Отжиг кремниевых пластин в азотсодержащей среде состава N₂ + O₂ + HCl при массовом соотношении компонентов (0,98-1,02) : (0,01-0,03) : (0,03-0,04) при температуре 973-1173 К не менее 3 ч непосредственно перед формированием диоксида кремния приводит к увеличению плотности кислородных преципитатов на глубине 10-15 мкм и обеднению приповерхностной области кремниевых пластин кислородом на глубину 10-15 мкм. На преципитатах в этих условиях на глубине 15 мкм происходит осаждение неконтролируемых металлических примесей натрия, меди, золота, которые диффундируют из объема кремниевой пластины. Данные преципитаты являются источником механических напряжений, имея разный фазовый объем с монокристаллическим кремнием они компенсируют механические напряжения, возникающие в процессе роста пленки диоксида кремния вблизи границы раздела кремний - диоксид кремния. Плотность прецидитатов, устойчивых к высоким температурам до 1473 К, составляет 10⁶-10⁷ см^-3. Их размеры от 10 до 15 . Уменьшение концентрации примесей натрия, меди и золота в структуре кремний - диоксид кремния влечет за собой снижение подвижного заряда; снижение уровня механических напряжений вблизи границы раздела Si - SiO₂ приводит к падению фиксированного заряда в нашем случае в два раза.

Таким образом, у поверхности кремниевой пластины образуется бездефектная область глубиной 15 мкм, обедненная как кислородом, так и неконтролируемыми металлическими примесями, ограниченная снизу дефектным слоем с плотностью дефектов 10⁶-10⁷ см^-3, который образует барьер для неконтролируемой примеси, диффундирующей из объема кремниевой подложки при возможных термических и ионизирующих воздействиях.

Предлагаемый способ позволяет при изготовлении МОП-структур снизить концентрацию ионов металлов в приповерхностной области кремниевой пластины, меди до 2˙10¹³ см^-3, золота до 6˙10¹⁰ см^-3 и кислорода до 3˙10¹⁷ см^-3 (см. таблицу, примеры 1-10), т. е. происходит блокирование диффузии неконтролируемой металлической примеси (натрия, меди, золота и др. ) из объема полупроводника в результате образования преципитатов на глубине 15 мкм.

Вследствие указанных причин происходит уменьшение радиационно-индуцированного заряда, а, следовательно, снижение смещения порогового напряжения при гамма-облучения до 0,7-2,2 В при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В соответственно.

При температурах отжига выше 1173 К толщина бездефектного слоя кремния составляет 10 мкм, плотность дефектов на глубине 15 мкм 10⁴см^-3, содержание меди 1,0˙10¹⁴ см^-3 и золота - 1˙10¹¹ см^-3. Содержание кислорода высоко и составляет 6˙10¹⁷ см^-3. В соответствии с этим смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В составляет 1,3-5,3 В, т. е. на уровне прототипа (см. таблицу, пример 12).

При температурах отжига ниже 973 К толщина бездефектной зоны составляет 10 мкм, плотность дефектов на глубине 15 мкм составляет 1˙10⁵см^-3, наблюдается высокое содержание примесей меди до 7˙10¹³ см^-3, золота до 8˙10¹⁰ см^-3, кислорода 5,5 ˙10¹⁷ см^-3. Смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В составляет 1,0-5,0 В.

Уменьшение времени отжига менее 3 ч не приводит к достаточной очистке приповерхностной зоны от примесей металлов (таблица, пример 14). Толщина бездефектного слоя кремния составляет 10 мкм. Содержание примесей меди 8˙10¹³ см^-3, золота 9˙ 10¹⁰ см^-3, кислорода 5˙ 10¹⁷ см^-3. Смещение порогового напряжения 1,0 и 5,0 В при дозе облучения 6,5˙10⁵рад и режимах смещения 0 и 5 В.

При содержании азота в азотсодержащей среде менее 0,98 мас. % наблюдается повышение содержания кислорода и хлористого водорода в газовой смеси, что приводит к неоднородности по толщине бездефектного слоя, толщина бездефектного слоя кремния около 13 мкм, увеличивается концентрация кислорода до 5,0˙10¹⁷ см^-3, ухудшается структура поверхностного слоя кремния (см. таблицу, пример 16).

При содержании азота в азотсодержащей среде более 1,02 мас. % снижается содержание кислорода и хлористого водорода в газовой смеси. Вследствие этого плотность дефектов на глубине 15 мкм в кремнии падает до 1˙10⁶ см^-3, что приводит к повышению содержания примеси меди до 9˙10 ¹³ см^-3, золота до 7˙10¹⁰ см^-3, кислорода 5˙10¹⁷ см^-3 (таблица, пример 15). Кроме того, наблюдается неоднородность по глубине залегания бездефектного слоя. Она составляет приблизительно 13 мкм.

При содержании кислорода более 0,03 мас. % растет концентрация кислорода в кремнии до 6˙10¹⁷ см^-3, наблюдается повышенное содержание золота до 1,2˙10¹¹ см^-3. Толщина бездефектного слоя кремния неоднородна, составляет приблизительно 13 мкм (таблица, пример 18). Смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В соответственно 1,0 и 3,4 В.

При содержании кислорода менее 0,01 мас. % качество поверхности кремния ухудшается, концентрация золота увеличивается до 9˙10¹⁰ см^-3(таблица, пример 17). Плотность дефектов на глубине 15 мкм 1˙10⁵ см^-3, толщина бездефектного слоя кремния неоднородна и составляет приблизительно 13 мкм. Смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В 1,2 и 3,5 В соответственно.

При содержании НСl менее 0,03 мас. % концентрация золота 1,2˙10¹¹см^-3, кислорода 6˙10¹⁷ см^-3 (таблица, пример 19). Плотность дефектов на глубине 15 мкм 1˙10⁵ см^-3, толщина бездефектного слоя кремния неоднородна и составляет около 13 мкм.

При увеличении содержания НСl более 0,04 мас. % происходит увеличение концентрации меди до 8˙10¹³ см^-3. Содержание кислорода составляет 5˙10¹⁷, как в прототипе. Вследствие этого смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В составляет 1,0 и 3,0 соответственно (таблица, пример 20).

П р и м е р 1. Партию кремниевых пластин электронного типа проводимости с удельным сопротивлением 4,5 Ом˙ см и ориентацией 100 после операции финишной отмывки отжигали при температуре 1000 К в течение 4 ч в среде N₂ : O₂ : HCl = 1,0 : 0,02 : 0,04. Отжиг проводили в диффузионной печи установки.

После проведения отжига формировали пленку диоксида кремния по известной технологии формирования тонкого слоя диоксида кремния толщиной 0,06 мкм в среде сухого кислорода. Затем осаждали пленку алюминия методом магнетронного распыления и проводили фотолитографию в известных режимах изготовления КМОП БИС.

Радиационно-индуцированное смещение порогового напряжения определяли из анализа С-V характеристик, снимаемых до и после воздействия на МОП-структуры гамма-излучения (Со⁶⁰). В таблице приведены значения смещения порогового напряжения V_тн для образцов, изготовленных по различным примерам исполнения, после облучения при положительном смещении на затворе (V_G = 5 В) и в пассивном режиме (V_G = 0).

Концентрацию примесей золота и меди в МОП-структурах определяли нейтронно-активационным анализом, кислорода - методом ИК Фурье-спектроскопии. Качество приповерхностного слоя кремния оценивалось с помощью метода электронографии. Плотность распределения дефектов по толщине структуры и толщину бездефектного слоя кремния определяли на сколах пластин кремния с помощью микроскопа NИ-2Е. Для выявления картины дефектов сколы обрабатывались в травителе Сиртла.

Из приведенных примеров видно, что использование изобретения позволяет в два раза улучшить зарядовую стабильность МОП-структур при гамма-излучения. Так, смещение порогового напряжения при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад и режимах смещения 0 и 5 В составляют соответственно 0,6-0,8 и 2,1-2,3 В, что в два раза ниже смещения порогового напряжения по сравнению с прототипом (1,3 и 5,1 В) (таблица, примеры 1-10 и 11). При выходе за указанные предельные значения температуры отжига и времени отжига, а также соотношения азота, кислорода и хлористого водорода в азотсодержащей среде цель изобретения не достигается (таблица, примеры 12-20).

Изобретение было опробовано при изготовлении n-канальных и p-канальных МОП-транзисторов, когда перед формированием подзатворного диэлектрика проводился отжиг кремниевых пластин при температуре 1000 К в течение 4 ч, соотношение компонентов парогазовой смеси составляло N₂ : O₂ : HCl = 1 : 0,02 : 0,04 мас. % . Приборы прошли испытание на радиационную стойкость при дозе облучения 6,3˙10⁵ рад, что привело к сдвигу порогового напряжения n- и p-канальных транзисторов, изготовленных по предлагаемому способу на 0,34 и 0,30 В соответственно; по прототипу сдвиг порогового напряжения составил 0,65 В при n- и 0,50 В для p-канального транзисторов.

Изобретение позволяет также значительно сократить время на формирование обедненной бездефектной области по сравнению с известной технологией создания внутреннего оксидного геттера, который теряет свои геттерирующие свойства после высокотемпературных термических операций в процессе изготовления КМОП БИС. Изобретение, учитывая особенности технологии получения КМОП БИС, позволяет при минимуме затрат получить значительное повышение радиационной стойкости КМОП приборов.

Использование: микроэлектроника, производство КМОП полупроводниковых приборов, стойких к воздействию внешних факторов. Сущность изобретения: при изготовлении МОП-структур проводят отжиг пластин кремния в азотсодержащей среде, состоящей из азота, кислорода и хлористого водорода, взятых в определенном соотношении при температуре 973 - 1173 К не менее 3 ч, затем формируют пленку диоксида кремния и наносят пленку алюминия. 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОП-СТРУКТУР, включающий формирование пленки диоксида кремния на пластине кремния, отжиг в азотсодержащей среде, нанесение пленки алюминия, фотолитографию, отличающийся тем, что отжиг пластины в азотсодержащей среде проводят перед формированием пленки диоксида кремния при 973 - 1173 К не менее 3 ч, а в качестве азотсодержащей среды используют смесь азота, кислорода и хлористого водорода при массовом соотношении компонентов 0,98 - 1,02 : 0,01 - 0,03 : 0,03 - 0,04 соответственно.