Спосіб отримання кремнієвого мдн-транзистора

Спосіб отримання кремнієвого МДНтранзистора, що включає формування пари n+ областей провідності на поверхні кремнієвої підкладки р-типу та формування електродів стоку і витоку, формування підзатворного діелектрика на основі SiO2 та формування затворного електрода, проведення процесів пасивації та наступного опромінення отриманої транзисторної структури з довжиною каналу від 2 до 10 мкм із шириною 50 мкм рентгенівськими променями при потужності експозиційної дози немонохроматизованого випромінювання 870 Р/с протягом 5-10 хвилин, який відрізняється тим, що транзисторну структуру додатково опромінюють лазерним імпульсним випромінюванням із довжиною хвилі l = 1,06 мкм (19) (21) a200509623 (22) 13.10.2005 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) КОМАН БОГДАН ПЕТРОВИЧ, UA, МОРОЗОВ ЛЕОНІД МИХАЙЛОВИЧ, UA (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА, UA (56) UA 72073, 17.01.2005 UA 73308, 15.02.2005 UA 2004010504, 15.08.2005 SU 1419418, 09.06.1995 SU 1424634, 20.04.2000 RU 2017265, 30.07.1994 RU 1499614, 20.09.1995 US 6440802, 27.08.2002 US 6221788, 24.04.2001 US 3688389, 05.09.1972 JP 7030114, 31.01.1995 3 структура кільцевої форми. На ізолюючій структурі у бокових областях створюють високолеговані зони. Всередині кільцевої ізолюючої структури розміщують перший електрод, а над ним розташовують другий електрод, який перебуває в електричному зв'язку з першим. Радіаційного та лазерного опромінення для впливу на параметри МДНтранзистора не застосовують. Відомий спосіб "Semiconductor device and method of manufacturing the same"-[патент США №6383860, МПК H01L021/824.2, 2002p.], в якому перший шар дифузійної домішки формує одну з областей витік/стік і лінію даних. Перший напівпровідниковий шар, канальний напівпровідниковий шар і другий напівпровідниковий шар, які формують другу область витік/стік і вузол запам'ятовування, розміщені на першому домішковому шарі. Ізолююча ємнісна плівка розміщена на другому провідному шарі. Комірка пам'яті розміщена на вузлі запам'ятовування з ємнісною ізолюючою плівкою між ними. За цим способом зменшують ємність лінії даних, що приводить до великої швидкості роботи пристроїв пам'яті DRAM. Для зміни електрофізичних параметрів МДН-транзисторів рентгенівське та лазерне випромінювання не застосовують. Відомий спосіб "Semiconductor device"- [патент США №6392277, МПК H01L027/01, 2002p.], де описаний напівпровідниковий пристрій, що має властивості польового транзистора. Пристрій сформований на напівпровідниковому шарі з утворенням областей з протилежним типом провідності, ізолюючим шаром і використанням накладного електрода, який електрично зв'язаний зі сформованим каналом і оберненим затвором, що розміщений під ізолюючим шаром і навпроти сформованого каналу. Потенціал для управління носіями протилежного типу провідності прикладений до двох електродів, до накладного електрода і оберненого затвора. Внаслідок цього збільшується напруга, яку витримує польовий транзистор і також стабілізується порогова напруга. Для зміни електрофізичних параметрів транзисторів рентгенівське та лазерне випромінювання не застосовують. Відомий спосіб "Method of manufacturing a semiconductor detector for detecting light and radiation" – [патент США №6001667, МПК H01L027/14, 1999p.], у процесі якого на поверхні кремнієвої пластини (R=4 кОм*см) формують серію рканальних МДН-транзисторів у вигляді концентричних кругів. При формуванні МДН-транзисторів застосовують іонну імплантацію BF2 або BF3 у кремнієву підкладку з дозою 5*1014 см-2 при енергії 40-80кеВ. Для зміни електрофізичних параметрів МДН-транзисторів рентгенівське та лазерне випромінювання не застосовують. В останні роки набули широкого застосування рідкокристалічні панелі (LCD), як дисплеї у портативних комп'ютерах, у персональних цифрових асистентах (кишенькові комп'ютери), у цифрових відеокамерах, у цифрових фотоапаратах та у мобільних телефонах. Такий перехід обумовлений меншими габаритами, меншою вагою, меншим енергоспоживанням та кращою функціональністю ніж електронно-променеві трубки. Для управління 86018 4 кожним пікселом такого рідкокристалічного дисплея застосовують мініатюрні МДН-транзистори. Так у "Process for fabricating semiconductor device and photolithography mask" – [патенті США №6440802, МПК H01L021/823.8, 2001p.], описаний процес виготовлення на напівпровідниковій підкладці МДН-транзисторів з низькою і високою напругою пробою. Технологічний процес включає формування плівки окислу, іонну імплантацію бору, термовідпал і дифузію. У способі описано, що у процесах фотолітографії можна застосовувати рентгенівське опромінення для впливу на позитивний чи негативний фоторезист. Для зміни електрофізичних параметрів МДН-транзисторів рентгенівське та лазерне випромінювання не застосовують. Відомий спосіб "Semiconductor and a method for manufacturing an oxide film on the surface of a semiconductor substrate" – [патент США №6221788, МПК H01L021/44, 2001p.], за яким у процесі виготовлення транзистора використовують кремнієву підкладку р-типу (100) з питомим опором (10-15) ом*см, формують першу окисну плівку (1-20нм), формують металічну плівку (0.5-30нм), яка служить каталізатором при формуванні окисної плівки. Як каталізатор застосовують платину або паладій, другу окисну плівку формують нагріванням поверхні кремнію до 600С в атмосфері сухого кисню. Для оцінки якості очистки поверхні кремнію від природних окислів досліджують фотоелектронний спектр рентгенівського опромінення підкладки. Для цього застосовують установку ESCALAB 220i-XL з випромінюванням Кa -AI з енергією 1487еВ. В описаному винаході рентгенівське опромінення використовують лише для оцінки якості обробки поверхні напівпровідникової пластини, а не для впливу на електрофізичні характеристики МДНтранзисторів. Для зміни електрофізичних параметрів МДН-транзисторів рентгенівське та лазерне випромінювання не застосовують. Найближчим за технологічною суттю (прототипом) є „Спосіб отримання кремнієвого МДНтранзистора" – [деклараційний патент України №72073, МПК H01L21/00, H01L21/26, 2005p.], який базується на отриманні кремнієвих МДНтранзисторів, що включає формування пари областей n-провідності на поверхні кремнієвої підкладки р-типу і формування електродів стоку і витоку, формування підзатворного діелектрика на основі SiO2 і формування затворного електрода, проведення процесів пасивації. Отриману транзисторну структуру з довжиною каналу 3-10мкм і шириною 50мкм опромінюють рентгенівськими променями при потужності експозиційної дози немонохроматизованого випромінювання 870Р/с на протязі 5-20 хвилин, причому опромінення проводять при температурі 430К і на затвор МДН-транзистора подають від'ємне зміщення величиною 10В. Описаний спосіб є близьким до способу, що заявляється, а його недоліком є те, що в технологічному процесі досягаються менші зміни електрофізичних параметрів МДН-транзистора (густина поверхневих станів, порогова напруга, радіаційна стійкість). 5 В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу отримання кремнієвих МДНтранзисторів шляхом введення у технологічний процес додаткової обробки отриманих транзисторних структур імпульсним лазерним опроміненням заданої густини енергії, що дозволить покращити їх електрофізичні параметри і підвищити радіаційну стійкість. Обробку лазерним імпульсом здійснюють зі сторони кремнієвої підкладки. Поставлена задача вирішується так, що у відомому способі отримання кремнієвого МДН - транзистора, що включає формування пари n+ областей провідності на поверхні кремнієвої підкладки ртипу і формування електродів стоку і витоку, формування підзатворного діелектрика на основі SiO2 і формування затворного електрода, проведення процесів пасивації та опромінення отриманої транзисторної структури з довжиною каналу 2-10мкм і шириною 50мкм рентгенівськими променями при потужності експозиційної дози немонохроматизованого випромінювання 870 Р/с на протязі 5-10 хвилин, після чого додатково опромінюють лазерним імпульсом (l=1,06мкм, t=10-3 с) з густиною енергії (3.0-3.5)Дж/см, причому лазерне опромінення здійснюють зі сторони кремнієвої підкладки. Суттєвість відмінних ознак підтверджується тим, що авторам невідомі способи отримання МДН-транзисторів, які використовують ці ознаки для розв'язування існуючої задачі. Відомо, що дія іонізуючого випромінювання приводить до суттєвих змін основних електрофізичних характеристик кремнієвих МДН-транзисторів: збільшення заряду на поверхні кристалу, інверсії його активних областей під поверхнею окислу та зміну порогової напруги (напруги плоских зон UFD), [B.C. Першенков, В.Д. Попов, A.B. Шальнов Поверхностные радиационные дефекты в ИМС 7-М. Энергоатомиздат, 1988.-256с, Гуртов В.А., Евдокимов В.Д., Назаров А.И., Хрусталев В.А. Накопление радиационно-индуцированного заряда в МНОП-структурах с различной толщиной окисла. Микроэлектроника, т.14, вып.5, стр.431-434, 1985г.]. У результаті таких змін в інтегральних мікросхемах відбувається "плавання" рівнів "0" та "1", нестійка робота електронних схем, зміна співвідношення сигнал/шум. Особливо чутливі до дії радіації n-канальні МДН-транзистори, що мають найменшу порогову напругу. Відомо, що опромінення транзисторної структури рентгенівськими променями приводить до генерації радіаційних дефектів у підзатворному діелектрику SiO2 та на границі розділу Si-SiO2, утворенні електричних зарядів та їх просторовому перерозподілу. Перехідна область між Si-SiO2 досягає величини 20нм і дефекти, які там утворюються є електроактивними центрами. Дія рентгенівського випромінювання на МДНтранзистор супроводжується звільненням електронів з поверхневих станів міжфазової границі SiSiO2 і з при поверхневого шару та їх тунелювання у приграничний шар SiO2 з наступною рекомбінацією на донорних пастках цього шару. У ролі таких пасток виступають трьохвалентні атоми Si3+ . Одночасно відбувається звільнення протонів з водневмісних комплексів поверхневих станів границі 86018 6 розділу Si-SiO2 та їх дифузія в об'єм окислу SiO2. Зростання цього заряду пояснюється з позицій росту концентрації центрів Si3+ за участю іонів водню і може бути описане рівняннями: Si-O-Si+H+ ®SiOH-Si3+ Утворені комплекси SiOH внаслідок опромінення розпадаються з захопленням дірки h+ на зв'язок з Si3+ Si-OH+h+ ®Si3+ +OH Вважається, що зсув порогової напруги МДНтранзистора DUth обумовлюється двома компонентами DUNot і DUNit, де DUNot - компонента, яка обумовлює зсув напруги за рахунок радіаційноіндукованого заряду на пастках у підзатворному діелектрику SiO2 та DUNit - компонента, що обумовлює зсув напруги за рахунок заряду на поверхневих станах Si-SiO2 і тоді DUth=DUNot+DUNit. При рентгенівському опроміненні МДН-транзистора найбільших змін зазнає компонента DUNot. Компонента DUNit володіє двохстадійною залежністю з переходом на насичення після 4-5хв опромінення, що свідчить про зміну механізму формування заряду Qit на поверхневих станах після характерного часу опромінення. Чутливість процесу опромінення до температури можна пояснити тим, що поряд з процесами стимулюючими радіаційно-індуковані зміни, при кожній температурі має місце відпал рентгеноіндукованих дефектів в Si-SiO2. Чутливість до лазерного опромінення можна пояснити тим, що це опромінення частково поглинається на Ε-центрах і частково проникає до границі розділу Si-SiO2 приводить до структурної перебудови границі розділу з переходом системи SiSiO2 у більш рівноважний стан, імовірно, за рахунок переорієнтації у просторі кремній-кисневих тетраедрів. Ці результати досягаються внаслідок дії таких процесів: 1) релаксації напружених зв'язків на границі розділу Si-SiO2; 2) утворення в об'ємному геттерному шарі підкладки стійких комплексів, які стимулюють зарядову перебудову приграничного шару Si-SiO2 Це стабілізує зарядову ситуацію на границі розділу SiSiO2 і створює умови для часової стабілізації параметрів МДН-транзистора. Опромінення лазером зі сторони напівпровідникової підкладки дозволяє змінити зарядову ситуацію на границі розділу Si-SiO2, що визначає величину порогової напруги. Впорядкування границі розділу Si-SiO2 при лазерному опроміненні і часткове зменшення механічних напруг - фактори, які дозволяють пояснити зниження густини поверхневих електронних станів і перебудову їх енергетичного спектру. Експериментальні дослідження показують, що описані ефекти мають місце лише при густині енергії лазерного імпульсу (3-3.5)Дж/см2. При зростанні густини енергії вище 3.5Дж/см2 густина поверхневих електронних станів Dit також зростає, що зумовлено переважанням механізму дефектоутворення на границі Si-SiO2 і у тонкій приповерхневій області кремнію. Причиною генерації дефектів може бути одночасна дія трьох факторів: 7 - збудження електронно-діркових пар у приповерхневій області напівпровідника; - нагрів цієї області за рахунок електронфононної взаємодії; - виникнення термічних напруг на границі SiSiCb. Ще одним імовірним механізмом зміни густини електронних поверхневих станів на границі розділу Si-SiO2 може бути пряма трансформація домішкових комплексів під дією лазерного опромінення (фотохімічні перетворення). На Фіг.1 зображено принципову схему будови кремнієвого МДН-транзистора, де 1 - витік, 2 - затвор, 3 - підзатворний діелектрик, 4 - стік, 5, 6 - n+ - області, 7 -монокристалічна підкладка p-Si, 8 імпульсне лазерне випромінювання. На Фіг.2 зображено підпорогові ΒΑΧ nканальних МДН-транзисторів після рентгенівського опромінення зі сторони транзисторної структури та наступного імпульсного опромінення лазером зі сторони підкладки: 1 - вихідний зразок, 2 - після рентгенівського опромінення протягом 10хв, 3 після лазерного опромінення з густиною енергії 0.9Дж/см2, 4 - 3.5Дж/см2, 5 - 4.2Дж/см2, 6 4.8Дж/см2. На Фіг.3 зображено залежність порогової напруги кремнієвих МДН-транзисторів з довжиною каналу 10мкм від густини енергії лазерного випромінювання, 1 - результат попереднього рентгенівського опромінення протягом 5хв., 2 - результат попереднього рентгенівського опромінення протягом 10хв. На Фіг.4 зображено залежність густиниелектронних станів на границі Si-SiO2 від густини енергії лазерного випромінювання. 1 - результат попереднього рентгенівського опромінення протягом 5хв., 2 - результат попереднього рентгенівського опромінення протягом 10хв. На Фіг.5 зображено кінетику відносної зміни порогової напруги МДН-транзисторів після обробки способом, описаним в прототипі (крива 1) та по заявленому способу (крива 2) при режимі експлуатації транзистора в схемі двокаскадного підсилювача (t=20°С). У табл.1 приведено залежність зміни порогової напруги та густини поверхневих станів (в кремнієвих МДН-транзисторах з довжиною каналу L=2мкм) від густини енергії лазерного імпульсу. У табл.2 приведено залежність зміни порогової напруги та густини поверхневих станів (в кремнієвих МДН-транзисторах з довжиною каналу L=4мкм) від густини енергії лазерного імпульсу. Результати, приведені на фігурах 3,4 та у таблицях 1, 2 показують, що енергія лазерного імпульсу з густиною 3-3,5Дж/см2 є дійсно критичною для цих кремнієвих структур, оскільки для різних довжин каналів транзисторів забезпечує мінімальну порогову напругу та мінімальне значення густини електронних станів. Техніко-економічна ефективність запропонованого способу у порівнянні з прототипом полягає у покращенні електричних параметрів МДНтранзисторів та їх експлуатаційних характеристик: зменшенні густини поверхневих станів, зменшенні 86018 8 величини порогової напруги, та підвищенні радіаційної стійкості. Докази цього полягають у наступному: - опромінення кремнієвих МДН-транзисторів рентгенівськими променями приводить до зменшення густини поверхневих станів, які приймають участь у генерації та перерозподілі зарядів; - опромінення кремнієвих МДН-транзисторів рентгенівськими променями приводить до зменшення їх порогової напруги, що підвищує чутливість транзисторів; - опромінення кремнієвих МДН-транзисторів рентгенівськими променями приводить до підвищення їх радіаційної стійкості, що збільшує термін їх надійної експлуатації; - імпульсне лазерне опромінення транзисторної структури зі сторони підкладки приводить до того, що лазерний промінь поширюється у товщі напівпровідника, проникає до границі розділу SiSiО2 і майже повністю відбивається від цієї границі знову в напівпровідник; -імпульсне лазерне опромінення частково поглинається на Ε-центрах і частково проникає до границі розділу Si-SiO2, що приводить до структурної перебудови границі розділу з переходом системи у більш рівноважний стан; - транзистори, опромінені рентгенівськими та лазерними променями, зберігають підвищені електрофізичні параметри протягом всього періоду експлуатації. Перелічені переваги підтверджують передбачений технічний результат. Запропонований спосіб можна проілюструвати наступними прикладами. Приклад 1. n-канальні тестові МДНтранзистори з полісиліконовим затвором виготовляють по заводській технології на кремнієвій основі з довжиною каналу L=2мкм і шириною 50мкм. Вихідним матеріалом для виготовлення транзисторів служать леговані бором підкладки кремнію (КДБ-100) з орієнтацією (111) і величиною питомого опору 20Ом*см. Джерелом рентгенівського випромінювання служить апарат "РЕЙС-И" з мідним антикатодом. Робочий струм при опроміненні становить 100ма при прискорюючій напрузі 30кВ. Потужність експозиційної дози немонохроматизованого випромінювання розрахована згідно інструкції по експлуатації становить Ре=870Р/с, розрахована доза випромінювання становить 2*105рад/хв. Розрахунок дози випромінювання проводять згідно методики, [описаної у Гуртов В.А., Камбалин CA., Назаров А.П. Поверхность, 1984, т.3, №6, с.114]. Опромінення транзисторної структури рентгенівськими променями проводять на протязі 5хв.. Вимірювання вольт-амперних характеристик транзисторів (ΒΑΧ) здійснюють на промисловій установці "Зонд-А5". Для розрахунків використовують криві підпорогових струмів I D(UG) транзисторів при різних дозах рентгенівського опромінення. Результати розрахунків радіаційно-індукованих зсувів компонент DUNit, DUNot, DUth отримують згідно методики, описаної в роботі: Mc.Whorter F.J., Whinokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metaloxide-semiconductor transistor //Appl. Phys. Lett. 9 86018 1986.-48. №2.-P.133-134. Імпульсне лазерне опромінення здійснюють зі сторони кремнієвої підкладки на промисловій установці „Квант-16" у режимі поодиноких імпульсів. Тривалість світлових імпульсів становить 10-3 с, при довжині хвилі основної моди l=1,06мкм. Контроль потужності пучка проводиться за допомогою вимірювача потужності світлових імпульсів ИМО-2. Опромінення здійснюють одиночним імпульсом інфрачервоного лазера, густина потоку енергії становить 3Дж/см2. При такій обробці кремнієвого МДН-транзистора отримують значення порогової напруги рівне 0.55 В та густину поверхневих станів 9.4*1010еВ*см2. Приклад 2. Аналогічно до прикладу 1 виготовляють n-канальні тестові МДН-транзистори з полісиліконовим затвором на кремнієвій основі з довжиною каналу L=4mkm і шириною 50мкм. 10 Опромінення рентгенівськими променями триває 10хв. Імпульсне лазерне опромінення здійснюють зі сторони кремнієвої підкладки при густині потоку енергії 3.5Дж/см2. Відносне зменшення поверхневої густини станів становить 87.8%. Зменшення порогової напруги становить 0.24В. Приклад 3. Аналогічно до прикладу 1 виготовляють n-канальні тестові МДН-транзистори з полісиліконовим затвором на кремнієвій основі з довжиною каналу L=2мкм і шириною 50мкм. Опромінення рентгенівськими променями триває 10хв. Імпульсне лазерне опромінення здійснюють зі сторони кремнієвої підкладки при густині потоку енергії 3.5Дж/см . Відносне зменшення поверхневої густини станів станів становить 93%. Зменшення порогової напруги становить 0.15В. Таблиця 1 Залежність зміни величини порогової напруги та густини поверхневих станів від густини енергії лазерного імпульсу для МДН-транзисторів з довжиною каналу L=2мкм. Е, Дж/см-2 Uпоp., В Dit, еВ´см-2 0,2 0,9 Вих. 0,95 Х-опр 0,81 0,78 Вих. Х-опр 6,7´1011 2,7´1011 7,4´1011 1,5 0,7 3 0,65 4,7´10 11 3,3´10 3,5 0,55 11 9,4´10 4,2 0,57 10 9´10 4,8 0,67 10 2,2´10 0,79 11 6´1011 Таблиця 2 Залежність зміни величини порогової напруги та густини поверхневих станів від густини енергії лазерного імпульсу для МДН-транзисторів з довжиною каналу L=4мкм. Е, Дж/см-2 Uпор., в Вих. 1,1 Вих. Dit, еВ´см2 5´1011 0,2 Х-опр 1,0 Х-опр 8,7´1011 0,9 0,95 8´10 11 1,5 0,92 6´10 11 3 0,9 4,7´10 3,5 0,86 11 0,7´10 4,2 0,85 11 0,6´10 4,8 0,88 11 3,3´10 0,98 11 6,4´1011 Отримані результати зведені у таблицях 1 і 2, які підтверджують передбачений технічний результат, а саме, зменшення порогової напруги та зменшення густини поверхневих станів. 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 86018 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601