СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Российский патент 2003 года по МПК H01L21/336 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления дискретных МДП-транзисторов и интегральных микросхем.

Известен способ изготовления МДП-транзисторов [1], включающий формирование на кремниевой подложке областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика с последующей подгонкой порогового напряжения, выполняемой после формирования металлической разводки путем облучения структуры рентгеновским излучением дозой

где D - доза облучения, Р; Е₃ - ширина запрещенной зоны диэлектрика, эВ; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; μ - массовый коэффициент поглощения диэлектрика, см²/г; ρ - плотность диэлектрика, г/см³; d - толщина диэлектрика, см; ΔU - величина подгонки порогового напряжения, В.

Недостатком данного способа является сложность технической реализации, связанная с использованием рентгеновского излучения, а также невысокая точность подгонки порогового напряжения вследствие невозможности индивидуальной подгонки для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления МДП-транзисторов с пороговым напряжением U₀ [2], включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлизированной разводки и подгонку порогового напряжения путем облучения пластины рентгеновским излучением дозой насыщения, после чего пластины облучают ультрафиолетовым излучением с энергией квантов в интервале 4,35÷8,8 эВ и проводят их термический отжиг, причем первоначально экспериментально определяют изменение порогового напряжения ΔU при выбранных режимах термического отжига, а обработку в ультрафиолетовом пучке проводят до достижения величины порогового напряжения МДП-транзисторов, равной U₀±ΔU, где знаки "+" и "-" - соответственно для р- и n-канальных МДП-транзисторов.

В качестве недостатков этого способа можно отметить сложность технической реализации, связанную с необходимостью использования двух видов облучения - рентгеновского и ультрафиолетового, а также невозможность индивидуальной подгонки порогового напряжения для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине, что снижает точность подгонки.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности подгонки порогового напряжения МДП-транзистора.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления МДП-транзисторов, включающему формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения ΔU₀ и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔU₀±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р-канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге, в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворный диэлектрик заряда электронов плотностью

где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см²; U_H - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В.

На фиг.1 представлено изменение порогового напряжения МДП-транзистора в зависимости от величины заряда, инжектированного в подзатворный диэлектрик в сильных электрических полях (1), и изменение порогового напряжения МДП-транзистора после отжига (2).

На фиг.2 показаны токи термостимулированной деполяризации, измеренные на исходных МДП-структурах (0) и структурах после подгонки порогового напряжения различными плотностями инжектированного заряда: (1) - 10^-4 Кл/см²; (2) - 4•10^-5 Кл/см².

Способ основан на том, что часть электронов, инжектируемая в подзатворный диэлектрик МДП-транзистора в сильных электрических полях, захватывается на ловушки в объеме диэлектрика. Накопление отрицательного заряда в подзатворном диэлектрике приводит к изменению порогового напряжения МДП-транзистора.

Изменение порогового напряжения МДП-транзистора в зависимости от величины инжектированного заряда можно описать следующей зависимостью [3, 4]

где значения сечения захвата (σ) и напряжение насыщения изменения порогового напряжения (U_Н) необходимо определять для каждого конкретного типа подзатворного диэлектрика путем измерения экспериментальной зависимости ΔU₀ от Q_inj фиг.1 (кривая 1). Затем, проведя дифференцирование и последующее логарифмирование зависимости (2), получим

Таким образом, величина сечения захвата σ может быть найдена из наклона прямой а величина U_H - из отрезка, отсекаемого этой прямой на оси Выражение (2) можно записать в виде, удобном для определения требуемой величины плотности заряда, которую необходимо инжектировать в подзатворный диэлектрик для коррекции порогового напряжения МДП-транзистора на величину ΔU₀:

Для повышения стабильности параметров получаемых приборов после инжекции заряда необходимо проводить термический отжиг, в результате которого наблюдается стекание части отрицательного заряда, имеющей низкую температурную стабильность.

Таким образом, окончательное выражение для определения величины инжектированного заряда, необходимого для корректировки порогового напряжения на величину ΔU₀ с учетом стекания части отрицательного заряда при отжиге, можно представить в виде (1), где величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге ΔU должна предварительно определяться для каждого конкретного типа подзатворного диэлектрика путем измерения экспериментальных зависимостей ΔU₀ от Q_inj после соответствующих отжигов фиг.1 (кривая 2).

Способ по п.1 отличается тем, что термический отжиг пластин проводят при 200-250^oС в течение 0,5-1 часа. Для определения физических ограничений температурного диапазона отжига использовался метод токов термостимулированной деполяризации (ТСД) [3], позволяющий определить температурную стабильность отрицательного заряда, используемого для подгонки порогового напряжения. На фиг. 2 показаны типичные зависимости токов ТСД, полученные для исходных МДП-структур (0) и структур после подгонки порогового напряжения различными плотностями инжектированного заряда. На фиг.2 показан также статистический разброс экспериментальных значений для диэлектрических пленок, полученных по различным технологиям. Как видно из фиг.2, на кривых ТСД можно выделить три характерных участка. На I участке, ограниченном температурой 200^oС, происходит стекание части отрицательного заряда, имеющего низкую температурную стабильность. На II участке релаксация отрицательного заряда уменьшается и при выдержке образца в течение 0,5 до 1 часа практически полностью прекращается. На III участке при температурах более 250^oС начинает релаксировать термостабильная часть отрицательного заряда, а при температурах более 300^oС как в исходных образцах, так и в образцах после подгонки, в подзатворном диэлектрике наблюдается накопление положительного заряда. Таким образом, при температурах более 250^oС начинается резкое уменьшение величины отрицательного заряда, используемого для управления пороговым напряжением МДП-транзистора, и эффективность метода значительно снижается. Длительность отжига устанавливают в пределах от 0,5 до 1 часа. При меньших временах отжига могут не закончиться процессы электрической релаксации в МДП-транзисторах. В результате этого уменьшается зарядовая стабильность прибора. Увеличение длительности отжига более 1 часа нецелесообразно, поскольку зарядовая стабильность приборов при этом практически не увеличивается, а производительность метода снижается.

Пример реализации способа
Для отработки способа была изготовлена опытная партия МДП-транзисторов с р-каналом. Опытные образцы были выполнены по стандартной технологии изготовления р-канальных МДП-транзисторов, используемой в КМДП-ИС 564 серии с алюминиевым затвором. Подзатворный диэлектрик изготовлялся по стандартным технологическим режимам ИС 564 серии и представлял собой термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС) [3,4] . Общая толщина диэлектрика составляла 100 нм, а слоя ФСС - около 15 нм. После формирования A1-разводки на МДП-транзисторах при помощи 3-зондовой установки проводился первичный контроль начального порогового напряжения, которое составляло U₀=-3,0±0,3 В. Необходимо было получить две группы транзисторов с пороговым напряжением -2,0±0,3 В и -1,5±0,3 В. Таким образом, требуемая величина подгонки порогового напряжения для первой группы составляла -ΔU₀= 1,0 В, а для второй - ΔU₀=1,5 В. Из экспериментальной зависимости ΔU₀ от величины инжектированного заряда было установлено, что в пленке ФСС присутствуют электронные ловушки с сечением захвата 1,4•10^-15 см², а величина изменения порогового напряжения, соответствующего режиму насыщения, U_H= 6 В. При отжиге МДП-транзисторов при 225^oС в течение 0,5-1 часа релаксирует около 50% захваченного отрицательного заряда во всем диапазоне Q_inj и, следовательно, изменение порогового напряжения после отжига для транзисторов первой группы будет составлять ΔU= 1,0 В, а для второй - ΔU=1,5 В. Тогда с использованием выражения (1) была рассчитана величина заряда, которую необходимо инжектировать в подзатворный диэлектрик для требуемой коррекции порогового напряжения МДП-транзисторов первой и второй групп:


Затем к затвору МДП-транзистора прикладывалось постоянное напряжение положительной полярности, обеспечивающее туннельную по Фаулеру-Нордгейму инжекцию электронов в подзатворный диэлектрик из кремниевой подложки, а величина инжектированого заряда контролировалась путем измерения временной зависимости плотности инжекционного тока, и при инжекции требуемой плотности заряда электронов напряжение отключалось. После коррекции порогового напряжения на каждом транзисторе полупроводниковая пластина отжигалась при температуре 225^oС в течение 45 минут. Контрольные измерения порогового напряжения на МДП-транзисторах после отжига показали, что пороговые напряжения транзисторов первой группы лежат в диапазоне -2,0±0,3 В, а второй -1,5±0,3 В.

Последующие испытания с наложением рабочих напряжений на электроды прибора и с дополнительным нагревом (до 500 часов при температуре 80÷100^oС) показали стабильную работу транзисторов.

Применение сильнополевой инжекции заряда в подзатворный диэлектрик МДП-транзисторов для коррекции их порогового напряжений позволяет исключить использование радиационных излучений, а также значительно повысить качество за счет возможности индивидуальной подгонки порогового напряжения каждого конкретного МДП-транзистора.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР 1176777, кл. H 01 L 21/268. 1984.

2. Авторское свидетельство СССР 1464797, кл. H 01 L 21/268. 1987.

3. Гороховатский Ю.А. Основы термодеполяризационного анализа. -М.: Наука, 1981, 176 с.

Использование: в полупроводниковой технологии для изготовления дискретных МДП-транзисторов и интегральных микросхем. Технический результат изобретения - упрощение способа и повышение точности подгонки порогового напряжения МДП-транзистора. Сущность изобретения: способ включает операции формирования на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирования металлической разводки, определения величины подгонки порогового напряжения ΔU_o и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔU_o±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р-канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге. В качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворный диэлектрик заряда электронов плотностью

где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см²; U_н - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления МДП-транзисторов, включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения напряжения ΔU_o и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔU_o±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р- канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворнный диэлектрик заряда электронов плотностью

где q - заряд электрона, Кл;
σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см²;
U_н - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термический отжиг пластины проводят при 200-250^oС в течение 0,5-1,0 ч.