МДП-транзистор Советский патент 1992 года по МПК H01L29/784 

Изобретение относится к полупроводниковым устройствам, а именно, к МДП- транзисторам, имеющим широкое применение в вычислительной технике, например, в оперативных и постоянных запоминающих устройствах. БИС, СБИС.

Известен МДП-транзистор, который включает полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены стоковая и истоковая диффузионные области. Между стоковой и истоковой диффузионными областями расположен первый диэлектрический слой (подзатворный диэлектрик), на поверхности которого расположен первый управляющий затвор из первого слоя поликристаллического кремния. На поверхности первого управляющего затвора расположен второй диэлектрический слой. На поверхности второго диэлектрического слоя в местах разделения элементов расположен второй управляющий затвор из второго слоя поликристаллического кремния. Первый управляющий затвор служит обычным затвором МДП-транзистора. На второй управляющий затвор подан постоянный потенциал (отрицательный относительно подложки), который обеспечивает изоляцию между элементами интегральной схемы, использующей эту конструкцию МДП-транзисторов, т.е. исключает утечки на поверхности полупроводниковой подложки.

Известен МДП-транзистор, который включает полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностной области которой расположены стоковая и истоковая диффузионные области второго типа проводимости. На поверхности полупроводниковой подложки расположен первый диэлектрический слой (подзатворный диэлектрик), на поверхности которого расположен первый управляющий затвор из первого слоя поликристаллического кремния. В первом управляющем затворе выполнена узкая щель. На поверхности управляющего затвора и его боковых

(/)

С

VI о ю со ю

поверхностях в щели расположен второй диэлектрический слой. На поверхности второго диэлектрического слоя и в щели расположен второй управляющий затвор из второго слоя поликремния, Конструкция обеспечивает изоляцию первого управляющего затвора от второго вторым диэлектрическим слоем. Оба управляющих затвора являются независимыми. На первый управляющий затвор подают постоянный положительный потенциал, под действием которого обеспечивается инверсия поверхности полупроводниковой подложки и обеспечивается минимальная длина канала МДП-транзистора. Второй управляющий затвор выполняет роль затвора МДП-транзистора.

Наиболее близким к изобретению является конструкция МДП-транзистора, затвор которого состоит из двух слоев поликристаллического кремния, разделенных изолирующим слоем.

МДП-транзистор содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости, на поверхности которой расположены стоковая и истоковая диффузионные области второго типа проводимости. На части полупроводниковой подложки расположен первый диэлектрический слой и между стоковой и истоковой диффузионными областями - второй диэлектрический слой (подзатворный диэлектрик). На поверхности второго диэлектрического слоя и над частью стоковой и истоковой диффузионными областями расположен первый управляющий затвор из первого слоя поликристаллического кремния, на части поверхности которого расположен маскирующий слой, выполненный из двуокиси кремния. На поверхности маскирующего слоя расположен второй управляющий затвор из второго слоя поликристаллического кремния. Маскирующий слой и второй управляющий затвор расположены в углублении первого управляющего затвора, образованного ступенькой первого диэлектрического слоя. На поверхности первого диэлектрического слоя, управляющих затворов расположен третий диэлектрический слой, в котором над областями стока, истока и первого управляющего затвора выполнены отверстия, На поверхности третьего диэлектрического слоя и в отверстиях расположены металлические электроды. Конструкция обеспечивает предотвращение разрывов металлических шин за счет сглаживания рельефа поверхности путем заполнения углубления в первом управляющем затворе из первого слоя поликристаллического кремния, созданного рельефом первого диэлектрического слоя, вторым слоем поликристаллического кремния.

В известной конструкции МДП-транзистора роль затвора выполняет первый управляющий затвор, на который и подают управляющий сигнал. Второй управляющий затвор служит только для обеспечения гладкой поверхности затвора, что по сути дела, и исключает разрывы металлических шин.

Все указанные выше аналоги и прототип обладают низкой надежностью работы из-за пробоя подзатворного диэлектрика в процессе работы МДП-транзистора.

Цель изобретения - повышение надежности работы МДП-транзистора за счет уменьшения вероятности пробоя подзатворного диэлектрика.

На чертеже представлен поперечный разрез структуры МДП-транзистора.

МДП-транзистор содержит полупроводниковую подложку 1 первого типа проводимости, в приповерхностной области которой расположены стоковая и истоковая диффузионные области 2 второго типа проводимости. На части поверхности полупроводниковой подложки расположен первый диэлектрический слой 3 и между стоковой и истоковой диффузионными областями - второй диэлектрический слой 4 (подзатворный диэлектрик). На втором диэлектрическом слое расположен первый управляющий затвор 5, выполненный из первого слоя поликристаллического кремния, легированный фосфором до концентрации 1016-1018 . На поверхности первого управляющего затвора расположен маскирующий слой 6, толщина которого не превышает 20 нм. На поверхности маскирующего слоя расположен второй управляющий затвор 7 из второго слоя поликристаллического кремния, легированный фосфором до ко н центра ции 1019-10 . На поверхности первого диэлектрического слоя, второго управляющего затвора расположен третий диэлектрический слой 8 с отверстиями к стоковой и истоковой диффузионным областям, второму управляющему затвору. В отверстях в третьем диэлектрическом слое и части поверхности третьего

диэлектрического слоя расположены металлические контакты к стоковой, истоковоР диффузионным областям и второму управляющему затвору. Основным условием работы МДП-транзистора является обеспечение электрической связи между первым и вторым управляющими затворами.

В качестве маскирующего слоя могут

быть использованы слои двуокиси кремния

нитрида кремния и т.д., при этом маскирую

щий слой расположен непосредственно над областью канала.

Использование двух управляющих затворов из поликристаллического кремния и маскирующего слоя, обеспечивающего электрическую связь между первым и вторым управляющим затворами, позволяет повысить надежность работы МДП-транзи- стора практически при любой толщине первого диэлектрического слоя (подзатворного диэлектрика) вплоть до нескольких десятков ангстрем путем исключения пробоя под- затворного окисла.

Это связано с тем, что процесс рекристаллизации зависит от концентрации примеси (фосфора) в слоях поликристаллического кремния, при этом скорость рекристаллизации будет больше при больших концентрациях фосфора, соответственно при больших скоростях рекристаллизации будет большее зерно слоя поликристаллического кремния. Исходное состояние перед формированием третьего диэлектрического слоя следующее: первый управляющий затвор из поликристаллического кремния легирован фосфором до концентрации 1016-1018 см З, второй управляющий затвор легирован фосфором до концентрации 1019-10 . Высокая концентрация фосфора во втором управляющем затворе необходима для обеспечения низких сопротивлений затворов (либо затворных шин при использовании МДП-транзисторов в СБИС). При высоких температурах (1000- 1100°С) термических операций изготов- ления СБИС, в которых используются МДП-транзисторы, структуры поликристаллических слоев, из которых выполнены первый и второй затворы, будут изменяться. Поскольку первый затвор легирован до кон- центрации 1016-1018 , после термических операций (формирования третьего диэлектрического слоя) он будет состоять из поликристаллического кремния по структуре, близкой к аморфной (т.е. мелкого зерна). Мелкое зерно (или аморфное состояние) не будет создавать механических напряжений на границе второй диэлектрический слой (подзатворный диэлектрик) - первый управляющий затвор. В результате этого поверх- ность второго диэлектрического слоя (подзатворного диэлектрика) будет подвержена меньшим механическим разрушениям. Кроме того, поскольку концентрация фосфора в первом управляющем затворе мала, диффузия фосфора из него во второй диэлектрический слой практически отсутствует, т.е. исключается легирование подзатворного диэлектрика примесью из первого поликристаллического слоя. Легирование

подзатворного диэлектрика может привести к тому, что в нем возникают ловушки, приводящие к захвату заряда в нем и. как следствия, пробои этого окисла.

При легировании первого управляющего затвора примесью, например, фосфором концентрацией превышающей величину 10 см , термические операции приведут к большой его рекристаллизации, в результате чего на границе раздела первый диэлектрический слой - поликристаллический управляющий затвор возникают высокие механические напряжения разрушающие поверхность второго диэлектрического слоя. В эти структурные нарушения подзатворного диэлектрика из поликристаллического кремния диффундирует фосфор. В результате, как и у известных устройств, произойдут отказы из-за пробоя подзатворного диэлектрика в процессе работы МДП- транзистора.

Электрическая связь между первым и вторым управляющими затворами осуществляется за счет того, что маскирующий слой имеет толщину не более 20 нм. Слой двуокиси кремния толщиной 20 нм на поликристаллическом кремнии является туннельно прозрачным за счет наличия шероховатостей поверхности поликристаллического кремния. Таким образом, подача напряжения на второй управляющий затвор приведет к тому, что электроны туннелируют через маскирующий слой, выравнивая при этом потенциал первого и второго управляющего затвора. Удельное сопротивление маскирующего слоя будет значительно уменьшено за счет того, что различная рекристаллизация первого и второго управляющего затворов, в результате чего на границе маскирующий слой - второй управляющий слой возникают высокие механические напряжения, которые разрушают структуру маскирующего слоя. Использование маскирующего слоя толщиной более 20 нм может привести к отсутствию электрической связи между затворами, в результате чего возникнет между ними емкостная связь, снижающая характеристики МДП- транзистора. например крутизна МДП- транзистора значительно уменьшится

Основная роль маскирующего слоя заключается в том, чтобы служить маской, исключающей диффузию фссфора из второго управляющего затвора в первый, тем самым обеспечить в первом управляющем затворе концентрацию примеси науровне 101 -101 см , втором - 1019-1020 . Такое распределение носителей (или концентрации фосфора) в первом и втором затворах из поликристаллического кремния возможно только при условии, что маскирующий слой обладает коэффициентом диффузии фосфора по крайней мере в 10 раз меньше, чем в поликристаллическом кремнии.

Если коэффициент диффузии фосфора в маскирующем слое больше указанного значения, то при выполнении температурных операций фосфор из второго затвора диффундирует в первый, при этом его концентрация будет одинакова как в первом, так и во втором затворах, тем самым концентрация будет адекватна прототипу со всеми его недостатками, это справедливо и при отсутствии маскирующего слоя.

В качестве легирующей примеси в поли- кристаллический кремний, из которого выполнены управляющие затворы, могут быть использованы элементы как первого, так и второго типа проводимости.

Формулаизобретения

1. МДП-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены стоковая и истоковая диффузионные области второго типа прово- димости, на части поверхности полупроводниковой подложки расположены первый диэлектрический слой, а между стоковой и ис- токовой диффузионными областями - второй диэлектрический слой, на котором последовательно расположены первый управляющий затвор, выполненный из первого слоя поликристаллического кремния, маскирующий слой и второй управляющий затвор из второго слоя поликристаллического кремния, на поверхности второго управляющего затвора расположен третий диэлектрический слой с отверстиями над управляющим затвором, стоковой и истоковой диффузионными областями, в отверстиях второго диэлектрического слоя расположены металлические электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства за счет уменьшения вероятности пробоя подзат- ворного диэлектрика, первый управляющий примесью до концентра- при этом толщина маскирующего слоя не превышает 20 нм.

2. МДП-транзистор по п. 1, о т л и ч a torn, и и с я тем, что маскирующий слой расположен над областью канала.

затвор легирован ции101б-10Т8см 3

Использование: изобретение применяют в оперативных и постоянных запоминающих устройствах, например БИС, СБИС, в которых обеспечивают надежность работы за счет исключения пробоя подзатворного диэлектрика. Сущность изобретения: расположенный между двумя управляющими электродами полевого транзистора маскирующий слой имеет толщину не более 20 нм, и расположен над областью канала, первый управляющий электрод легирован до концентрации 1016-1018 . 1 з.п. ф-лы, 1 ил,