Спосіб отримання кремнієвого мдн-транзистора

Спосіб отримання кремнієвого МДН - транзистора, що включає формування пари n+ областей провідності на поверхні кремнієвої підкладки ртипу шля хом дифузії бору і формування електродів стоку і витоку, формування підзатворного діелектрика на основі SiO2 і формування затворного електрода, проведення процесів пасивації, який відрізняє ться тим, що отриману транзисторну структур у протягом 10-30 хвилин одночасно опромінюють рентгенівськими променями при потужності експозиційної дози немонохроматизованого випромінювання 870 Р/с та інфрачервоними променями при потужності світлового потоку 1500 лм. (19) (21) 2004010504 (22) 22.01.2004 (24) 15.02.2007 (46) 15.02.2007, Бюл. № 2, 2007 р. (72) Коман Богдан Петрович, Морозов Леонід Михайлович (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАН А ФРАНКА (56) US 6380036 B1, 30.04.2002 SU 1419418 A1, 09.06.1995 SU 1176777 A1, 10.05.1995 SU 1424634 A1, 20.04.2000 RU 2017265 C1, 30.07.1994 US 4392893, 12.07.1983 3 77961 4 комплексів спеціального призначення у військовій опромінення для зміни електричних параметрів техніці (випромінювання при ядерних вибухах). В МДН-транзистора не застосовують. зв'язку з цим, дуже великого значення набувають Відомий спосіб "High-voltage metal oxide semiспособи підвищення радіаційної стійкості промисconductor device and method of forming the device" лових МДН-транзисторів. [Патент Великобританії GB №2374456 A, МПК Відомі способи отримання польових транзисH01L 21/336, 2002p.], в якому виготовлення висоторів - [патент ФРН DE 19928563 А1, МПК H01L ковольтного металоксидного транзистора включає 29/78, 2001р., патент Великобританії №224541 S, застосування кремнієвої підкладки n-типу для виМПК H01L 23/52, 1992p., патент США №5488000, соковольтної області (легування фосфором 5 1015МПК H01L 021/00, 1996р., патент США №6440802, 2 1016 ат/см 3 іонною імплантацією). Прилад форМПК H01L 021/823.8, 2001р., патент США мують на кремнієвій підкладці р-типу з легуванням №5529937, МПК H01L 021/322, 1996р., патент 5 1019-1.3 1020 ат/см 3. На підкладці нарощують епіСША №6376315, МПК H01L 021/336, 2002р., патаксіальний шар кремнію р-типу, іонною імплантатент США №5923962, МПК H01L 021/84, 1999р., цією формують канальну область, дрейфову обпатент США №6376888, МПК H01L 029/76, 2002р.], ласть формують вводячи іони бору, формують де описують сучасні технології отримання польоконтактні площадки і електроди. Повідомляють, вих транзисторів з використанням легованих крещо такий високовольтний прилад може бути інтегмнієвих пластин, металічних електродів і процесів рований в одному чіпі зі стандартним n- або рхімічного травлення, термічного відпалу, дифузії канальним транзистором. Іонізуючого опромінення та епітаксії. для впливу на параметри МДН-транзистора не Відомий спосіб "MOS-Transistor und Verfahren застосовують. zu dessen Herstellung" - [патент ФРН DE 19928563 Відомий спосіб "Semiconductor, semiconductor А1, МПК H01L 29/78, 2001p.], в якому МДНdevice, and method for fabricating the same" - [патранзистор формується у вигляді напівпровідникотент США №5608232, МПК H01L 029/76, 1997р.], в вого острівка, над яким підвищується ізолююча якому виготовляють тонкоплівкові польові транзиструктура кільцевої форми. На ізолюючій структурі стори (TFT), що застосовуються для управління в у бокових областях створюють високолеговані активно-матричних пристроях рідкокристалічних зони. Всередині кільцевої ізолюючої структури дисплеїв та відеосенсорах. Для виготовлення тарозміщують перший електрод, а над ним розташокого дисплея на скляній пластині необхідно сфорвують другий електрод, який перебуває в електримувати від десятків тисяч до декількох мільйонів чному зв'язку з першим. Іонізуючого опромінення тонкоплівкових МДН-транзисторів. Кремнієві тондля впливу на параметри МДН-транзистора не коплівкові польові транизистори виготовляють застосовують. формуванням аморфної кремнієвої плівки плазмоВ останні роки набули широкого застосування вим чи термічним розпиленням на ізолюючу підрідкокристалічні панелі (LCD), як дисплеї в портакладку і наступним термічним відпалом плівки в тивних комп'ютерах, в персональних цифрових електропечах при температурах вище 600°С на асистентах (PDA -кишенькові комп'ютери), в цифпротязі 12-24 годин. При такій температурі у склярових відеокамерах, в цифрових фотоапаратах та ній підкладці і кремнієвій плівці виникають значні в мобільних телефонах. Такий перехід обумовлетермічні напруження, особливо відчутні при діагоний меншими габаритами, меншою вагою, менналях дисплеїв більше 10 дюймів. Такий процес є шим енергоспоживанням та кращою функціональдуже трудомістким і малопродуктивним, що приністю ніж електронно-променеві трубки. Для водить до високої вартості вихідних виробів. В управління кожним пікселом такого рідкокристаліописаному способі застосовують аморфну кремнічного дисплея застосовують мініатюрні МДНєву острівкову плівку товщиною 500-3000 ангсттранзистори. Так в "Process for fabricating рем, напилену на скляну основу (Corning #7059 semiconductor device and photolithography mask" glass). В аморфну плівку вводять домішки металі[патенті США №6440802, МПК H01L 021/823.8, чних каталізаторів процесу кристалізації, таких як 2001р.], описаний процес виготовлення на напівнікель, паладій, кобальт, залізо, платина. Це допровідниковій підкладці МДН-транзисторів з низьзволяє понизити температуру кристалізації до кою і високою напругою пробою. Технологічний (450-580)°С і зменшити час відпалу до 4 годин. процес включає формування плівки окислу, іонну Встановлено, що чим нижча концентрація атомарімплантацію бору, термовідпал і дифузію. В патенного водню розчиненого в аморфній плівці, тим ті описано, що в процесах фотолітографії можна вища швидкість кристалізації. Типова концентрація застосовувати рентгенівське опромінення для атомарного водню становить 1*1015см -3. Концентвпливу на позитивний чи негативний фоторезист. рація вуглецю, азоту і кисню в аморфній плівці Іонізуючого опромінення для впливу на параметри повинна бути нижче 1*1019см-3. Термічний відпал МДН-транзистора не застосовують. проводять в електропечах нагрівання. ПовідомляВідомий спосіб "A semiconductor device and a ють, що для нагріву можна застосовувати також method of manufacturing such a device" – [Патент KrF ексимерний лазер (довжина хвилі 248нм, триВеликобританії GB №224541 S, МПК H01L 23/52, валість імпульсів 20нc, густина потоку енергії ста1992p.] В цьому способі виготовляють польовий новить (200-400) мДж *см -2. Двома імпульсами плітранзистор з ізольованим затвором формуючи на вку нагрівають до температури 200-450°С. кремнієвій підкладці струмопровідну область, яка є Іонізуючого опромінення для впливу на параметри в контакті з відносно високо легованими областяМДН-транзистора не застосовують. ми, формують ізолюючі шари, струмопровідні доПодібний спосіб описують в "Semiconductor ріжки і контактні площадки електродів. Іонізуючого thin film, method of producing the same, apparatus 5 77961 6 for producing the same, semiconductor device and поверхонь застосовують низькоенергетичні коротmethod of producing the same " - [патенті США котривалі імпульси лазера ультрафіолетового діа№6528397, МПК H01L 021/36, 2003p.], де виготовпазону (180-435мкм) тривалістю 80нc. Пікове зналяють тонкоплівкові канальні транзистори для чення густини потужності імпульсу управління активно-матричними дисплеями. На випромінювання є однорідним відносно рівня +підготовлену скляну пластину напиляють аморфну 10%. Коли пікове значення густини потужності і кремнієву плівку. Електричні параметри такої плівтривалості лазерного імпульсу є нижчим від порогу ки є значно нижчі ніж в кристалічної, особливо це чутливості для відпалу поверхні, то така лазерна стосується рухли вості електронів (1см 2/В.с чистка зменшує концентрацію домішок і мікрочас100см 2/В.с). Аморфну кремнієву плівку можна петинок на поверхні, збільшує оптичну відбивну здаревести в кристалічний стан спеціальною термотність поверхні. Винахід застосовують для очистки кристалічних та аморфних поверхонь твердого обробкою при температурі 600°С на протязі 20-24 годин. Однак цей режим можна застосувати в тому тіла при виробництві тонкоплівкових транзисторів (TFT), запам'ятовуючи х пристроїв на магнітних випадку, коли така плівка нанесена на напівпровідисках, сонячних батарей та інших мікроелектрондникову пластину. Коли така плівка напилена на них пристроїв. скло (LCD-дисплей), то скляна підкладка витримує Описаний спосіб є ефективним для очистки нагрів не вище 593°С. Тому застосовують швидкий поверхні напівпровідникових пластин, однак при процес нагріву (RAP-RTA) короткими імпульсами цьому економічні затрати є вищими ніж при відпалі ексимерного лазера (KrF-248ммк, ХеСІ-308ммк, інфрачервоними лампами. У даному випадку ArF-193ммк, XeF-). Оскільки кремній майже повнісопромінення лазерним ультрафіолетом застосотю поглинає ультрафіолетове випромінювання вують у те хнологічному процесі не для зміни пашаром товщиною 100А, то скляна підкладка зараметрів транзисторів, а лише для очистки робознає нагріву в допустимих межах. Термообробку чих поверхонь пластин. Такий відпал вимагає проводять в атмосфері водню для гідратації плівточного контролю та управління потужністю і трики. Для підвищення швидкості кристалізації в амовалістю лазерного імпульсу. Якщо потужність імрфну кремнієву плівку вводять спеціальні каталіпульсу є ви ща від порогу чутливості поверхні, то затори, обробляючи плівку у водневій або азотній такий відпал може вводити додаткові точкові деплазмі, причому один з електродів містить матеріфекти в поверхню, спричинювати розколювання ал каталізатора (Fe, Ni, Ru, Rh, Os, Ir, Ag, Au, V). поверхні внаслідок термічного удару, та вплавляти Концентрацію введеного каталізатора контролюмікрочастинки домішок в поверхневу плівку, ствоють вторинною мас спектрометрією. рюючи обмежене легування і бути причиною втоВідомий спосіб "Semiconductor device and ринного зародкоутворення. method of manufacturing the same" - [патент США Найближчим за технологічною суттю прототи№6383860, МПК H01L 021/824.2, 2002р.], де опипом є "Semiconductor device and method of manuсують спосіб отримання напівпровідникового приfacturing the same" - [патент США №6380036, МПК строю, в якому перший шар дифузійної домішки H01L 021/336, 2002p.], який описує отримання формує одну з областей витік/стік і лінію даних. кремнієвих МДН-транзисторів, що включає легуПерший напівпровідниковий шар, канальний навання бором кремнієвої підкладки р-типу провідпівпровідниковий шар і другий напівпровідниковий ності для формування пари областей n- провідношар, які формують другу область витік/стік і вузол сті на поверхні кремнієвої підкладки, формування запам'ятовування, розміщені на першому домішзатворного електрода з підзатворним діелектриковому шарі. Ізолююча ємнісна плівка розміщена ком на основі SiO2. Затвор формується в області на другому провідному шарі. Комірка пам'яті розміж парою областей витік/стік з ізолюючим шаром міщена на вузлі запам'ятовування з ємнісною ізоміж ними. На поверхні кремнію формується облюючою плівкою між ними. Таким способом зменласть імплантації азоту з максимальною його коншують ємність лінії даних, що приводить до центрацією. Глибина імплантації азоту від поверхвеликої швидкості роботи пристроїв пам'яті DRAM. ні кремнієвої підкладки не перевищує 500А. Іонізуючого опромінення для впливу на параметри Стверджується, що таку транзисторну стр уктуру МДН-транзистора не застосовують. можна легко мініатюризувати. Іонізуючого опроміВідомо, що сучасні мікроелектронні пристрої нення для впливу на параметри МДН-транзистора мають тенденцію до мініатюризації і є дуже чутлине застосовують. вими до сторонніх хімічних та корпускулярних доЦей спосіб є близьким до способу, що заявлямішок, які появляються на поверхні кремнієвих ється, а його недоліком є функціональна обмежепластин на різних етапах технологічного процесу ність отримуваних транзисторів, тому що в техновиготовлення. Присутність мікрочастинок бруду, логічному процесі не застосовується рентгенівське залишків металів та хімічних травників (кисень, та інфрачервоне опромінення для керування елекнатрій, кальцій, магній, калій) перешкоджають епітрофізичними параметрами МДН-транзистора таксіальному росту, зменшують зчеплення між (густина поверхневих станів, порогова напруга, сусідніми епітаксіальними шарами, погіршують радіаційна стійкість) і отримані МДН-транзистори стабільність електричних параметрів. Тому при мають обмежене застосування в умовах підвищевиробництві МДН-транзисторів існує задача швидної радіації. кої та ефективної очистки поверхні без викорисВ основу винаходу поставлено задачу удоскотання токсичних та небезпечних хімікалій. Так у налити спосіб отримання кремнієвих МДН[патенті США "Method for cleaning surfaces using транзисторів шляхом введення в те хнологічний UV lasers", МПК H01L 021/268; B08B 007/00, процес додаткового іонізуючого опромінення от1992p.] для очистки кристалічних та аморфних 7 77961 8 риманих транзисторних структур, що дозволить - області), 7 - монокристалічна підкладка p-Si. покращити їх електрофізичні параметри і підвищиНа Фіг.2 зображено залежність густини поверти радіаційну стійкість. хневих станів межі Si-SiO2 МДН-транзистора від Поставлена задача вирішується так, що у відози рентгенівського опромінення при різних умодомому способі отримання кремнієвого МДНвах: 1 - ли ше рентгенівське опромінення, 2 - однотранзистора, що включає формування пари n+ часне рентгенівське та інфрачервоне опромінення. областей провідності на поверхні кремнієвої підПри обох типах опромінення поверхнева густина кладки р-типу шляхом дифузії бору і формування станів зростає при збільшенні дози, однак для електродів стоку і витоку, формування підзатворумов (1) це зростання на початку є лінійне а пізніного діелектрика на основі SiO2 і формування заше ви ходить на насичення і відрізняється від потворного електрода, проведення процесів пасивачаткового більше ніж в 10 разів, а для умов (2) ції, отриману транзисторну структур у протягом 10густина станів спочатку зменшується а пізніше 30 хвилин одночасно опромінюють рентгенівськивиходить на насичення, на рівні в 2 рази вищому ми променями при потужності експозиційної дози від початкового. МДН-транзистор став більш стійнемонохроматизованого випромінювання 870Р/с ким до дії іонізуючого опромінення. та інфрачервоними променями при потужності На Фіг.3 зображено залежність ефективної русвітлового потоку 1500лм. хливості електронів у каналі n-канального МДНГустина поверхневих станів в кремнії залежить транзистора від дози рентгенівського опромінення від кристалографічної орієнтації підкладки, для при різних умовах: 1 - лише рентгенівське опроміорієнтації (100) вона мінімальна, для (111) - макнення, 2 - одночасне рентгенівське та інфрачервосимальна, для (110) - має проміжне значення. Гусне опромінення. Для умов (1) рухливість електротина поверхневих станів відіграє важливу роль в нів у каналі поступово знижується при збільшенні формуванні електрофізичних властивостей трандози. Для умов (2) рухливість електронів на початзистора, оскільки цей параметр впливає на генеку опромінення повільно зростає, а пізніше плавно рацію та перерозподіл зарядів. зменшується, однак швидкість зміни рухливості Дія рентгенівського випромінювання на МДНдля умов (2) є нижчою ніж для умов (1). МДНтранзистор супроводжується звільненням електтранзистор став більш стійким до дії іонізуючого ронів з поверхневих станів міжфазової границі Siопромінення. SiO2 і з при поверхневого шару та їх тунелювання На Фіг.4 зображено ВАХ n-канальних МДНв приграничний шар SiO2 з наступною рекомбінатранзисторів з довжиною каналу 10мкм після цією на донорних пастках цього шару. В ролі таких опромінення рентгенівськими променями. 1 - вихіпасток виступають трьохвалентні атоми Si3+. Оддний зразок, 2 - після опромінення протягом 5хв, 3 ночасно відбувається звільнення протонів з вод- 13хв, 4 - 30хв. невмісних комплексів поверхневих станів границі На Фіг.5 зображено ВАХ n-канальних МДНрозділу Si-SiO2 та їх дифузія в об'єм окислу SiO2. транзисторів з довжиною каналу 10мкм після одЗростання цього заряду пояснюється з позицій ночасного опромінення рентгенівськими та інфраросту концентрації центрів Si3+ з участю іонів водчервоними променями. 1 - вихідний зразок, 2 ню і може бути описане рівняннями: після опромінення протягом 5хв, 3 - 13хв, 4 - 30хв. Si-О-Si+H+-> SiOH-Si 3+ Для всіх кривих Фіг.5 зсув вліво є меншим ніж на Утворені комплекси SiOH внаслідок опроміФіг.4. МДН-транзистор став більш стійким до дії нення розпадаються з захопленням дірки h+ на іонізуючого опромінення. зв'язок з Si3+ На Фіг.6 зображено зсув порогової напруги Si-OH+h+->Si3++OH МДН-транзистора та її складових компонент під Вважається, що зсув порогової напруги МДНдією рентгенівського опромінення. На Фіг.7 зображено зсув порогової напруги транзистора DUth обумовлюється двома компоненМДН-транзистора та її складових компонент під тами DUNot і DUNit, де DUNot - компонента, яка обуодночасною дією рентгенівського та інфрачервомовлює зсув напруги за рахунок радіаційноного опромінення. Максимальна зміна порогової індукованого заряду на пастках в підзатворному напруги на кривій DUth(t) для умов (2) є в 2,5 рази діелектрику SiO2 та DUNit - компонента, що обумоменшою, ніж для умов (1). Швидкість зміни пороговлює зсув напруги за рахунок заряду на поверхневої напруги в ци х умовах є також нижчою, ніж для вих станах Si-SiO2 і тоді DUth=DUNot+DUNit. При ренумов (1). МДН-транзистор став більш стійким до дії тгенівському опроміненні МДН-транзистора іонізуючого опромінення. найбільших змін зазнає компонента DUNot. КомпоТехніко-економічна ефективність пропонованента DUNit володіє двохстадійною залежністю з ного способу у порівнянні з прототипом полягає у переходом на насичення після 4-5хв опромінення, покращенні електричних параметрів МДНщо свідчить про зміну механізму формування затранзисторів та їх експлуатаційних характеристик: ряду Qit на поверхневих станах після характерного зменшенні густини поверхневих станів, зменшенні часу опромінення. величини порогової напруги, та підвищенні радіаЧутливість процесу опромінення до темпераційної стійкості. тури можна пояснити тим, що поряд з процесами Докази цього полягають у наступному: стимулюючими радіаційно-індуковані зміни, при - одночасне опромінення кремнієвих МДНкожній температурі має місце відпал рентгенотранзисторів рентгенівськими та інфрачервоними індукованих дефектів в Si-SiO2 . променями приводить до зменшення швидкості На Фіг.1 зображено принципову схему будови наростання густини поверхневих станів, які прикремнієвого МДН-транзистора, де 1 - витік, 2 - займають участь в генерації та перерозподілі зарятвор, 3 - підзатворний діелектрик,4 - стік, 5, 6- (n+ 9 77961 10 1500лм). Відстань від поверхні балону лампи до - одночасне опромінення кремнієвих МДНтранзисторної структури становила 12см. транзисторів рентгенівськими та інфрачервоними Вимірювання вольт-амперних характеристик променями приводить до підвищення радіаційної транзисторів (ВАХ) здійснюють на промисловій стійкості МДН-транзисторів (гальмуються радіаустановці "Зонд-А5". Для розрахунків використоційне індуковані зміни, зменшується швидкість вують криві підпорогових струмів ID(UG) транзистозміни густини станів, порогової напруги та р ухлирів при різних дозах рентгенівського опромінення. вості електронів в каналі. Густина станів досягає Результати розрахунків радіаційно-індукованих насичення при величині дози опромінення зсувів компонент DUNit, DUNot, DUth отримують згід~105рад., див. Фіг.1-7) но методики, описаної в роботі: [Mc.Whorter F.J., Запропонований спосіб можна проілюструвати Whinokur P.S. Simple technique for separating the наступними прикладами. effects of interface traps and trapped-oxide charge in Приклад 1. n-канальні тестові МДНmetal-oxide-semiconductor transistor //Appl. Phys. транзистори з полісиліконовим затвором виготовLett.-1986.-48. №2.-P.133-134]. ляють по заводській технології на кремнієвій осноВідносна зміна рухливості електронів в каналі ві з довжиною каналу L=3мкм і шириною 50мкм. становить 8.3%. Зсув порогової напруги становить Вихідним матеріалом для виготовлення транзис0.05В. торів служать леговані бором підкладки кремнію Приклад 2. Аналогічно до прикладу 1 виготов(КДБ-100) з орієнтацією (111) і величиною питомоляють n-канальні тестові МДН-транзистори з поліго опору 20 Ом *см. Джерелом рентгенівського висиліконовим затвором по заводській технології на промінювання служить апарат "РЕЙС-И" з мідним кремнієвій основі з довжиною каналу L=4мкм і шиантикатодом. Робочий струм при опроміненні стариною 50мкм. Опромінення рентгенівськими проновить 100ма при прискорюючій напрузі 30кВ. Поменями триває 20хв. Відносна зміна рухливості тужність експозиційної дози немонохроматизоваелектронів в каналі становить 1.7%. Зсув порогоного випромінювання розрахована згідно інструкції вої напруги становить 0.112В. по експлуатації становить Ре=870Р/с, розрахована Приклад 3. Аналогічно до прикладу 1 виготовляють n-канальні тестові МДН-транзистори з полідоза випромінювання становить 2*105рад/хв. Розсиліконовим затвором по заводській технології на рахунок дози випромінювання проводять згідно кремнієвій основі з довжиною каналу L=10мкм і методики, описаної в [Г уртов В.А., Камбалин С.А., шириною 50мкм. Опромінення рентгенівськими Назаров А.П. Поверхность, 1984, т. 3, №6, с.114]. променями триває 30хв. Відносна зміна рухливості Опромінення транзисторної структури рентгенівсьелектронів в каналі становить 12%. Зсув порогової кими променями проводять на протязі 10хв. Однонапруги становить 0.130В. часно з рентгенівським опроміненням проводять Узагальнені результати опромінення МДНопромінення транзисторної структури ІЧтранзисторів подані в таблиці 1. променями з тією ж експозицією від лампи типу ИКЗ 215-225-250-1 (кут випромінювання ~80 град, кольорова температура - 2350К, світловий потік дів; Таблиця 1 Спосіб опромінення Максим, зміна рухливості (рази) Максим, зсув пор.напруги (В) Максим, зміна густини поверхи. станів (рази) Рентген, промені Рентген.+Інфрач. пром. 2 0,9 0,35 0,13 16 2,6 Використання запропонованого способу дозволяє покращити електрофізичні параметри та радіаційну стійкість МДН-транзисторів, що підтверджує передбачуваний технічний результат. Пропонований спосіб можна застосовувати не тільки в лабораторних, а також в промислових масштабах при виробництві кремнієвих МДН- транзисторів. 11 77961 12 13 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 77961 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601