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; Е_з - 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 невозможность индивидуальной подгонки порогового напряжения для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине, что снижает точность подгонки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления МДП-транзисторов [2], включающий операции формирования на кремниевой подложке областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлической разводки и подгонку порогового напряжения на величину ΔU_п путем облучения подложки со структурами дозой рентгеновского излучения, пропорциональной ΔU_п, облучение подложки со структурами проводят при нагреве подложки до 400-450^oС, а дозу выбирают из соотношения:

где D - доза, Р; ΔU_п - изменение порогового напряжения, В; α=3•10^-6 ; d - толщина подзатворного диэлектрика.

В качестве недостатков этого способа можно отметить сложность технической реализации, связанную с необходимостью использования рентгеновского излучения, невозможность индивидуальной подгонки порогового напряжения для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине, а также невысокую точность подгонки, поскольку нет возможности контролировать изменение порогового напряжения в процессе облучения.

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 с электронными ловушками в объеме, формирования металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения ΔU, изменение порогового напряжения внешним воздействием во время нагрева подложки, где в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремния в подзатворный диэлектрик импульсом постоянного тока плотностью, лежащей в диапазоне 10^-7-10^-4 А/см², в течение которой контролируется изменение напряжения на МДП-структуре ΔU_inj, и прекращают инжекцию при достижении ΔU_inj = ΔU, а температуру нагрева подложки выбирают в диапазоне 200-250^oС.

На фиг. 1 показана плотность насыщения положительного заряда, накапливаемого в подзатворном диэлектрике МДП-транзистора в зависимости от плотности постоянного инжекционного тока.

На фиг. 2 приведена зависимость плотности отрицательного заряда, накапливаемого в подзатворном диэлектрике МДП-транзистора от температуры, при которой проводится инжекция электронов.

Подгонка порогового напряжения в данном способе осуществляется в результате накопления в объеме подзатворного диэлектрика отрицательного заряда, образующегося в результате захвата на ловушки части электронов, инжектированных в диэлектрик в сильных электрических полях. В сильных электрических полях зависимость тока от напряжения для тонких диэлектрических пленок носит экспоненциальный характер, и при изменении поля на несколько процентов ток может меняться на несколько порядков. Поэтому использование для инжекции заряда в подзатворный диэлектрик импульсов тока является более предпочтительным по сравнению с напряжением, поскольку позволяет значительно снизить вероятность его пробоя.

При туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в подзатворный диэлектрик МДП-структуры из кремниевой подложки, выполняемой в режиме протекания постоянного инжекционного тока, изменение напряжения на структуре в процессе инжекции ΔU_inj, обусловленное накоплением в объеме диэлектрика отрицательного заряда, практически совпадает с изменением порогового напряжения МДП-транзистора ΔU₀ [3, 4]. В случае объемного расположения отрицательного заряда в подзатворном диэлектрике электрическое поле, создаваемое этим зарядом, будет оказывать одинаковое влияние как на изменение порогового напряжения МДП-транзистора, так и на изменение напряжения на образце в процессе инжекции, поскольку оба они пропорциональны изменению потенциального барьера на границе раздела полупроводник-диэлектрик. Таким образом, изменение напряжения на образце в процессе сильнополевой инжекции электронов из подложки в подзатворный диэлектрик, проводимой в режиме протекания постоянного тока, можно использовать для контроля величины изменения порогового напряжения МДП-транзистора.

Амплитуда импульсов тока, используемых для инжекции заряда в подзатворный диэлектрик, выбирается, исходя из геометрических размеров транзистора и конкретных электрофизических характеристик диэлектрической пленки, и лежит в диапазоне 10^-7-10^-4 А/см². При сильнополевой туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик наряду с накоплением отрицательного заряда, используемого для подгонки порогового напряжения транзистора, может наблюдаться генерация положительного заряда, сопровождающаяся одновременной деградацией границы раздела Si-SiO₂. Плотность положительного заряда, генерируемого сильнополевой инжекцией, экспоненциально возрастает с увеличением электрического поля (плотности тока). На фиг.1 приведена экспериментальная зависимость плотности насыщения положительного заряда от плотности инжекционного тока и показан разброс экспериментальных данных для различных технологий получения и толщин подзатворного диэлектрика. Как видно из фиг.1, при плотностях тока более 10^-4 А/см² в подзатворном диэлектрике начинается значительный рост плотности положительного заряда, который компенсирует отрицательный заряд и значительно снижает эффективность метода. Накопление положительного заряда также приводит к повышению плотности поверхностных состояний и деградации характеристик транзистора, а неоднородное распределение плотности положительного заряда по площади подзатворного диэлектрика может вызвать локальное увеличение плотности инжекционного тока и значительно повысит вероятность пробоя диэлектрика. Таким образом, верхнюю границу плотности тока, используемую в предлагаемом методе, необходимо ограничить значением 10^-4 А/см². Использование токовых импульсов амплитуды меньше 10^-7 А/см² приводит к очень большим временам подгонки порогового напряжения (более часа) и затруднительно с точки зрения технической реализации.

Инжекция электронов при повышенных температурах позволяет значительно повысить зарядовую стабильность транзисторов, поскольку при этих температурах, в основном, наблюдается накопление термостабильной части отрицательного заряда, имеющего большую энергию активации. В результате нет необходимости после инжекции проводить дополнительный отжиг, а изменение напряжения в процессе инжекции практически совпадает с изменением порогового напряжения транзистора.

В качестве нижнего предела температуры, при которой проводится инжекция электронов, выбирается предельно допустимая температура, используемая при испытаниях полупроводниковых изделий (200^oС), т.к. при более низких температурах проявляются не все механизмы электрической релаксации, присущие данному прибору в диапазоне температур, применяемых для испытаний. В результате может снижаться зарядовая стабильность изделия. На фиг.2 показана типичная экспериментальная зависимость плотности отрицательного заряда, накапливаемого в подзатворном диэлектрике МДП-транзисторов, изготовленных по различным технологиям, от температуры, при которой проводится инжекция электронов. Как видно из фиг. 2, при температурах более 250^oС начинается резкое уменьшение плотности термостабильной компоненты отрицательного заряда. Таким образом, верхняя граница температуры, при которой проводится инжекция, ограничена величиной 250^oС, поскольку при больших температурах начинается релаксация термостабильной компоненты отрицательного заряда, используемой для управления пороговым напряжением МДП-транзистора, и эффективность метода значительно снижается.

Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подзатворного диэлектрика используют термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС). Одним из эффективных способов создания электронных ловушек в объеме подзатворного диэлектрика является пассивация термической двуокиси кремния пленкой ФСС. Меняя концентрацию фосфора и толщину пленки ФСС, можно управлять плотностью электронных ловушек и местом локализации центроида отрицательного заряда, накапливаемого в диэлектрической пленке при сильнополевой инжекции. В результате удается создать подзатворный диэлектрик, способный накапливать при сильнополевой инжекции требуемую плотность термостабильного отрицательного заряда, практически без деградации границы раздела полупроводник-диэлектрик.

Пример реализации способа.

Опытные образцы были изготовлены по стандартной технологии получения р-канальных МДП-транзисторов, используемой в КМДП-ИС 564 серии с алюминиевым затвором. Подзатворный диэлектрик представлял собой термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную ФСС. Двуокись кремния толщиной 90 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 1000^oС с добавлением 3% НС1. Пленку ФСС формировали диффузией фосфора из газовой фазы путем пиролиза смеси РОСl₃-О₂ при температуре 900^oС. Время загонки фосфора составляло 4 мин. Затем в течение 15 мин пластины отжигались в атмосфере азота при температуре 1000^oС. В результате была сформирована пленка ФСС толщиной 18 нм и с концентрацией фосфора 1%. Такой подзатворный диэлектрик был способен накапливать при сильнополевой инжекции отрицательный заряд, изменяющий пороговое напряжение МДП-транзистора до 3 В без заметной деградации его электрофизических характеристик. После формирования Al-разводки на МДП-транзисторах при помощи 3-х зондовой установки проводился первичный контроль начального порогового напряжения, которое составляло U₀=-3,0±0,2 В. Необходимо было получить четыре группы МДП-транзисторов с пороговым напряжением соответственно U₀= -2,6±0,2 В, U₀=-2,2±0,2 В, U₀=-1,8±0,2 В, U₀= -1,4±0,2 В. Для коррекции порогового напряжения пластины нагревались до температуры 225^oС, после чего к затвору МДП-транзистора относительно его подложки прикладывался импульс постоянного тока положительной полярности плотностью 10^-5 А/см², обеспечивающий туннельную по Фаулеру-Нордгейму инжекцию электронов из кремниевой подложки. Во время инжекции измерялось изменение напряжения на затворе МДП-транзистора, вызванное накоплением отрицательного заряда, и при достижении ΔU_inj значения U₀-U_0i (где U_0i - пороговое напряжение соответствующей группы транзисторов) токовый импульс отключался. После подгонки пороговых напряжений транзисторов всех четырех групп пластина охлаждалась до комнатной температуры.

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

Применение для коррекции порогового напряжения МДП-транзисторов сильнополевой инжекции заряда из подложки в подзатворный диэлектрик позволяет исключить использование радиационных излучений, а также значительно повысить точность подгонки за счет возможности контроля изменения порогового напряжения МДП-транзистора непосредственно в процессе инжекции заряда в диэлектрик.

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

2. Авторское свидетельство СССР 1419418, кл. H 01 L 21/268. 1987.

3. Fischetti M.V. Generation of positive charge in silicon dioxide during avalanche and tunnel electron injection// J. Appl. Phys. 1985. Vol.57. 8. P.2860-2879.

4. Андреев В.В., Барышев В.Г., Бондаренко Г.Г., Столяров А.А., Шахнов В. А. Зарядовая деградация МДП-систем с термическим оксидом кремния, пассивированным фосфорно-силикатным стеклом, при высокополевой туннельной инжекции // Микроэлектроника. 1997. 6. С.640-646.

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 с электронными ловушками в объеме, формирования металлической разводки, определения величины подгонки порогового напряжения ΔU, изменения порогового напряжения внешним воздействием во время нагрева подложки, где в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремния в подзатворный диэлектрик импульсом постоянного тока плотностью, лежащей в диапазоне 10^-7-10^-4 А/см², в течение которой контролируется изменение напряжения на МДП-структуре ΔU_inj, и прекращают инжекцию при достижении ΔU_inj = ΔU, а температуру нагрева подложки выбирают в диапазоне 200-250^oС. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления МДП-транзисторов, включающий формирование на кремниевой подложке областей стока, истока и слоя подзатворного диэлектрика с электронными ловушками в объеме, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения ΔU, изменение порогового напряжения внешним воздействием во время нагрева подложки, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремния в подзатворный диэлектрик импульсом постоянного тока плотностью в диапазоне 10^-7-10^-4 А/см², в течение которой контролируется изменение напряжения на МДП-структуре ΔU_inj, и прекращают инжекцию при достижении ΔU_inj = ΔU, а температуру нагрева подложки выбирают в диапазоне 200-250^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подзатворного диэлектрика используют термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем фосфорно-силикатного стекла.