Способ изготовления интегральных схем памяти на основе мноп- транзисторов

Способ изготовления интегральных схем памяти на основе мноп- транзисторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК ..юл

BCECGC3HA% ПИЕН?Н9 4

C) ф

С)

О

"«»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3411496/25 (22) 19 03. 82 (46) 15.07.92, Бюл. Н 26 (72) С.П. Верходанов и С.А. Камбалин (53) 621.387.,002 (088.8) .(56) Патент ClllA 3877054, кл. 357-29, опублик. 1974.

Патент СЛА Ь" 3877055 кл. 357-?3, опублик. 1974, (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ИНОП- .

ТРАНЗИСТОРОВ, включающий формирование на полупроводниковой подложке пленки окисла кремния толщиной 30200"нм над каналами транзисторов с постоянным пороговым напряжением формирование пленки окисла кремния

Изобретение относится к электронной технике, в частности к техноло гии энергонезависимых, электрически перепрограммируемых интегральных схем памяти, на основе МНОП-транзисторов.

При проектировании и изготовлении полупроводниковых постоянных запоминающих устройств необходимо пос. ледовательно решать две задачи; соз" дание отдельных, составляющих уст=ройство„ ячеек памяти, а также компоновка ячеек в интегральную матри" цу-накопитель.

Известен способ из вЂ,отоаления отдельных ячеек памяти на основе транзисторов со структурой металл-нит.рид кремния-двуокись кремния — крем„„5Ц „„1Î40978 А1 (gg)g Н 01 L 21/265

2 толщиной 1-15 нм над каналами транзисторов с переменным пороговым напряжением и формирование над -каналами всех транзисторов пленки нитрида кремния из парогазовой смеси, содержащей аммиак и моносилан, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стабильности и воспроизводимости характеристик записи и хранения информации, пленку нитрида кремния формируют при соотноше- . нии аммиака и моносилана 300:11000:1, а затем над каналами транзисторов с переменным пороговым напряжением на всю толцину. пленки нитрида кремния внедряют ионы азота или кремния дозой 1 ° 10 "4 - 3 ° 10 6 см 2. йий (МНОП), запись информации в которых осуществляется путем захвата в двухслойном диэлектрике носителей заряда, инжектированных из металла или кремния при приложении между ними электрического поля, Под действием захваченного в диэлектрике заряда входные вольтамперные характеристики МНОП-транзистора сдвигаются в ту или иную сторону и величина изменени его порогового напряжения является мерой хранимой в ячейке информации.

Изменяя электрофизические характеристики диэлектрика в процессе изготовления, можно достаточно просто управлять параметрами МНОП-элемента памяти. Например, для увеличения вре3 1040978 мени хранения информации в элементе пленки окисла кремния толщиной 1памяти применяют различные технологи- 15 нм над каналами транзисторов с чес <ие приемы: переменным напряжением и формированинаносят на межфазную границу ем над каналами всех транзисторов

Si0< — Si>N + при формировании слоев пленки нитрида кремния из парогазодиэлектриков, тонкую островковую вой смеси, содержащей аммиак и монопленку тантала, платины, вольфрама, силан. кремния или германия; В этой интегральной схеме (ИС) изменяют режим Формирования слоев 1ð транзисторы с .переменным пороговым диэлектрика таким образом, чтобы в напряжением входят в состав матрислое его содержалось бы .не менее 53 цы-накопителя и являются ячейками свободного кремния, либо путем вари- . памяти, транзисторы с постоянным ации температуры и состава газовой пороговым напряжением входят в соссреды слой 81 А< выращивают перемен- .1g тав управляюцих схем ввода и вывода ного состава йо толщине; информации, Способ заключается в . Формируют, слой Si>N+ так, чтобы следующем. В кремниевой подложке его проводимость не менее чем в два и-типа с помощью стандартных операраза превышала проводимость слоя ций маскирования и диффузии создают

Я10 20 локальные области р-типа, являющиеся

Йспользуя все эти технологические истоками и стоками для всех тран-, приемы, в принципе, возможно созда- . зисторов ИС. Затем над.областями кавать интегральные матрицы ячеек памя- налов .транзисторов, которые располоти лобой информационной емкости и, жены между соответствующими областяна их основе изготавливать блоки па- 25 ми р-типа, Формируют пленку SiO<,,мяти для вычислительной техники. причем вначале Формируют толстую

Однако такой подход является не- . (более 30-50 нм) пленку над каналаприемлемым для практической реализа- ми транзисторов с постоянным порогоции, поскольку количество выводов e . вым напряжением, а затем над областякаждой такой матрице пропорциональ- 3Q ми .каналов ячеек памяти Формируют но.ее информационной емкости, а коли- тонкую (1-15 нм) пленку Si0<. После чество межсоединений в блоке памяти этого на области каналов всех транбудет, следовательно, также возрас" зистороя одновременно наносят плентать пропорционально числу матриц. От- ку Si N<, поверх которой создают меаода, чем выше будет информационная таллические электроды затворов путем емкость блока памяти на основе таких стандартных операций Фотолитографии матриц, тем меньше .будет надежность по напыляемой поверх Si>N< пленке его работы. Поэтому наиболее опти- . металла и термического вжигания. мальным, с точки зрения потребительс- Однако указанный способ изготовлеких качеств, является изготовление . 4О ния ИС памяти, несмотря на простоту в составе одного интегрального уст- реализации, не обеспечивает получе. ройства и матрицы-накопителя ячеек ния стабильных и воспроизводимых памяти, и управляюцих ее работой вспо- характеристик записи и хранения ин могательных схем ввода и вывода ин- Формации, что затрудняет эксплуатаФормации, дешифрации и т.д. Естест- б цию MC особенно при повышенных темпевенно, что эти вспомогательные схемы ратурах. Указанные недостатки обусдолжны изготавливаться по единой с ловлены тем, что пленка Si N

Ы тоянным гороговым напряжением, водниковой подложке пленки окисла, Та кое двой ст венное и споль зов ан ие кремния толциной 30-200 нм йад кана- пленки SiqN предъявляет противоречилами транзисторов с постоянным по- вые к ней требования. С одной сторороговым напряжением, Формирование ны, для обеспечения работы ячеек

10 памяти пленка Si>N< должна содержать в своем объеме возможно большее количество центров захвата носителей заряда для повышения надежности записи информации и воспроизводимости величины уровня записи. С .другой стороны, для стабильной работы транзисторов схем ввода и вывода информации в условиях повышенных температур в пленке Si<5< не должно содержаться никаких центров захвата. Естествен-. но, что в этом случае всегда приходится искать компромисс между ста- . бильностью работы ИС при повышенных температурах и уровнем записи информации. Одновременное улучшение этих параметров в известном способе невозможно

Целью изобретения является повышение стабильности и воспроизводимости характеристики записи и хранения информации.

Цель достигается тем, что в способе изготовления интегральных схем памяти на основе ИНОП-транзисторов, включающем формирование на полупро.водниковой подложке пленки окисла кремния толщиной 30-200 нм над каналами транзисторов с постоянным пороговым напряжением, формирование пленки окисла кремния толщиной 115,нм над каналами транзисторов с переменным пороговым напряжением и, формирование над каналами всех транзисторов пленки нитрида кремния из парогазовой смеси, содержащей аммиак .и моносилан, пленку нитрида кремния формируют при соотношении аммиака и моносилана 300:1-1000:1, а затем над каналами транзисторов с пвременным пороговым напряжением на всю толщину пленки нитрида кремния внедряют ионы азота или кремния дозой 1 10 - 3 10 6смз.

В основу изобретения положено следующее физическое явленИе. Ионное облучение диэлектриков типа нит» рида кремния, химическая связь в которых является не чисто ковалентной, а обладает некоторой долей ионности, способствует образованию в их объеме ловушек для носителей заряда.

Эти ловушки образуются за счет разрыва и деформации связей между состав= ляющимл нитрид кремния элементами

5 при торможении внедря- чых ионов.

Таким образом, суть предлагаемого сгособа изготовления ИС памяти зак40978

G лочается в том, что требуемые свойства пленки Si N@, наносимой одновременно на области каналов различ5 ных по, назначению транзисторов в ИС, обеспечиваются не одной, как в прототипе, а двумя различными операциями - нанесением пленки и последующим локальным ионным облучением, что естественно расширяет возможнос. ти процесса. При формировании пленки

Si Ng из парогазовой смеси, содержащий MOHocHJlBH и аммиак, при большом количестве аммиака образуется однородная по составу пленка с минимальным количеством ловушек для носи-. телей заряда. При этом указанные свойства такой пленки не изменяются в процессе ее эксплуатации. Следова20 тельно, при.работе ИС в любых условиях (повышенная температура, высокие питающие напряжения) в затворной структуре транзисторов вспомогательных схем ИС (схем ввода и вывода ин25 формации) не имеет место процесс захвата носителей заряда и пороговые напряжения этих транзисторов будут стабильными, что и требуется для надежной работы ИС. Степень требуемо30 ro пересыщения парогазовой смеси аммиаком может быть определена в каждом конкретном случае экспериментально, например, по результатам дрейфа порогового напряжения ИНОП-транзисто35 poB npM термополевых испытаниях ( пература 373-473 К, электрическое поле в затворной структуре 10 В/см).

Например, для пленок Si N, полученных при соотношении аммйака и моноси4О лана в смеси 10: 1, 100:1, 300:1, 500:1 и 1000:1, дрейф порогового напряжения обычно составляет относительно исходного (до испытания) значения напряжения 100, 20, 20,,5 и. а

24, соответственно. Е стественно, что при использовании таких пленок в на1 шем случае наиболее предпочтительными являются пленки, полученные при соотношении аммиака и моносилана

50 равном 300 и более. Известный из про.тотипа способ изготовления ИС при . таких соотношениях полностью теряет свой..смысл, поскольку элементы памяти в ИС функционировать не будут из-за

5 очень малой концентрации ловушек для зарядов в SiqN .

Для обеспечения одновременно со стабильностью параметров ИС и возможности надежной и воспроизводимой

>0 0978 . записи информации в элементах памяти над областями каналов этих транзисторов пленку Si>N облучают ионами азота или кремния. Облучением достигается образование в пленке ловушек для захвата и хранения информационного заряда, под действием которого пороговое напряжение элементов памяти изменяется в требуемую сторону;)g

Поскольку процесс формирования заданных свойств затворного диэлектрика элементов памяти производится локально, то на стабильности работы других элементов ИС он никак не ска . зывается., Изменяя концентрацию ловушек, их энергетическую глубину и пространственное распределение по слою Si>N<,, которые определяются дозой, типом 0 внедряемого иона и энергией .ионов со. ответственно, можно для неизменных

Условий записи варьировать величину захватываемого инФормационного заряда. Для повышения надежности и вос- 25 проиэводимости уровня записи заряда в элементы памяти ИС в предлагаемом способе конкретизированы тип и концентрация ионов, используемых для облучения и глубина их проникновения 30 в пленку SiN глубокие ловушки примерно одинаковой энергетической глубины, не отжигаю-. щиеся в процессе последующих операций формирования контактов затворов щ транзисторов при температурах до

1073 I<. Проводимость пленки Si>N при этом практически не изменяется.

Выполнение требования нейтральности выбранных ионов обеспечивает отсутствие подлегирования области канала

NH0tl-элементов памяти при частичном проникновении ионов в эту область подложки при облучении пленки Si N, Образован ие моноэне ргетиче ско го глубокого уровня связано с тем, что выбранные ионы, являясь составными частями Si N будут образовывать в сбъеме, планки дополнительные химические связи, то есть изменять ее стехиометрию в требуемую сторону. Образующиеся ловушки для зарядов не отличаются по свойствам от уже имеющихся в пленке, поэтому высота их энергетического барьера для носителей заряда при записи и хранении информации совпадает как между собой, так и между вновь введенными облучением и генетическими ловушками, Это исключает какую-либо невоспроизводимость в величине захватываемого при записи заряда и следовательно в величине логических уровней для каждого элемента памяти в ИС. Невоспроиэводимость логических уровней элементов памяти в ИС ° из Готавливаемых ПО пред лагаемому способу, устраняется и тем, что облучение пленки Si. N< производится íà BGO ее толщину. Ловушки в этом случае образуются по всему объему пленки и запись зарядов поэтому как из металлического электрода затвора, так и из области канала осуществляется на ловушки одинакового типа. Исходя из,этого, можно определить энергию внедряемых ионов. Известно, что для обеспечения торможе-. ния в объеме пленки S iq N 99, 94 внедряемых ионов по всей толщине пленки необходимо выполнить условие d =

= Кл+ 35К, где d — толщина пленки, К р и 6.R р - проекция и среднеквадратическое отклонение пробега ионов в Si>N, зависящие от энергии ионов. Для используемых s преллагаемом способе толщин S i> N 200-3 000А диапазон энергий ионов кремния дол-.. жен быть в 8-50 кэВ, ионов азота 538 кэВ. Доза ионов того или иного типа должна быть 1:1 0 - 3 ° 10 см .

Диапазон изменения доз ионов определен экспериментально.

Пример. Производилось опро,бование предлагаемого гпособа при изготовлении ИС ИпОП-перепрограммируl емых постоянных запоминающих уст". ройств, вкпочаюцих матрицу-накопитель элементов памяти и схемы управления. ИС изготавливали на кремниевых подложках и-типа с удельным сопротивлением 4,5 Ом см. После химической обработки подложки окисляли до толщин окисла 0,7 мкм. Затем в окисле методами фотолитографии вскры вали окна под области истоков и стоков составляющих ИС транзисторов.

В полученные окна производили диффузию примеси противоположного типа проводимости, например, бора, после чего вновь производили термическое окисление, до толщины окисла 0,20,3 мкм, для улучшения электричес9 1040973 10 ких характеристик р-и-переходов. Далее методами фотолитографии над областями каналов всех транзисторов вскрыли окна и формировали пленки окисла кремния толщиной 50 нм, являющуюся подзатворным диэлектриком в транзисторах с постоянным пороговым напряжением, В процессе следующей

Фотолитографии вскрывали области каналов только в транзисторах элементов памяти, в которых затем Формировали туннельно тонкий слой окисла кремния толциной 2 нм. После. этого .на всю поверхность ИС наносили слой

1нитрида кремния толщиной 70 нм из па рогазовой смеси аммиака и моносилана при их соотношении в смеси 1000:1 и над областями каналов элементов памяти производили его облучение ионами кремния или азота. При этом вся остальная часть ИС, кроме областей . каналов элементов памяти, была маскирована пленкой Фоторезиста толциной 1,2 мкм. Доз облучения изменяли 25 от 10 до 5. 10 Ом см 2. Энергия облучения, определенная.из соотноше-. ния 700 А = R f» + 3 6 R<, составляла для ионов кремния 33 »;ýÂ, азота . 22 кэВ. Для проверки правильности положенных в основу. расчета энергии ионов утверждений, найденные значения энергии варьировали в большую и меньшую стороны на 5-15 кэВ. После ионного облучения производили стандартные операции Формирования алюминиевой разводки, температура вживания которой составляла 783 К.

В изготовленных таким образом ИС записывали информацию -путем подачи на аломиниевый электрод затвора относительно подложки отрицательного импульса напряжения. Затем иамеряли пороговое напряжение в транзисторах схем управления и элементов памяти а также следили за их изменением в процессе стандартных термополевых испытаний (+85 С, 10В). Оценку про" изводили по результатам измерений на 30-100 структурах.

Наиболее воспроизводимые резуль" .таты получены при облучении пленки нитрида кремния использованной толщины 70 нм в элементах памяти ионами азота с.Е = 2015 кэВ, а ионами кремния с Е = 30 5 кэВ., Полученные результаты подтверждают правильность критерия выбора энергии ионов (d = R< + ЗЬЕР) в предлагаемом решении. Естественно, что при использовании пленки Si>Yq. другой толщины абсолютные значения энергии ионов, изменяются, но строго в соответствии с критерием

Уменьшение энергии ионов от найденных существенно снижало влияние, ионного облучения на параметры эле-., мента памяти, что не обеспечивало достижение поставленной цели. Увеличение энергии приводило к нежелательному изменению пороговых напряжений элементов памяти в сторону отрицательных значений, что резко снижало выход годных ИС. Поэтому дозовые зависимости для параметров ИС были сняты для значений энергии ионов азота 25 кэВ, ионов кремния 30 кэВ.

Данные, приведены в таблице, где в числителе представлены результаты для облучения ионами азота, а в знаменателе для ионов кремния.

Из таблицы следует, что минимальная доза. облучения, обеспечивающая нормальную работ элементов памяти, составляет 1»101 ñì 2. Под нормальной работой подразумевается возмож-. ность записи информации в элемент памяти так, чтобы его пороговое напряжение после записи отличалось от порогового напряжения до записи не менее, чем в 2-3 раза. Выполнение указанного условия обеспечивает надежность разделение логических уровней "0", и "1" в ИС при работе.

При меньших дозах облучения в слое

Si Ng образуется недостаточное количество ловушек для носи елей заряда и вследствие этого уровень записи в элемент памяти практически не возрастает (всего в 1,1-1,2 раза). Верхний предел дозы облучения в 3 10 см=

Ы выбран потому, что. при дальнейшем . ее увеличении наблюдается ухудшение диэлектрических свойств Si>N< (увеличение утечек, пробои) и выход годных элементов памяти в ИС уменьшается практически до нуля. Термополевая стабильность ИС, которая определяется в предлагаемом способе режимом осаждения Si>N, также удовлетворяет требованиям эксплуатации ИС, поскольку во всем выбранном диапазоне доз дрейф величины пороговых напряжений ИС не превышал 3-5:;, Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранить самое харак1040978

-г

Доза облучения, см

I 1 I

Параметр

5 ° 10 1 ° 10 1 ° 10 5 ° 10 3 10 5 ° 10

Отношение величин порогового напряжения элемента памяти до и после записи 1,2/1,1 3/3,2 4/- 4,6!5,0 5;2/5у3 5,3/5,3

Дрейф величин пороговых напряжений при вольт-:темпера" турных испыта- е ниях, элемент памяти 2/2 3/2 3/- 4, 5/4 т.р а н з и стор схемы управления 2/2 2/2 2,5/- 3/2 3,5/4*

4/3

3/3

2/2

* повышенные утечки через диэлектрик, пробой затвора.

Корректор И. Кешепя

Заказ 2821 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иоокпа, Ж 3 >, 1ауш< кая иаб,, д. ч/5

Производственно-иэдательс кия к >мСинат "Нате л", г.".огород, уп. Гагарина,!И1 терное для известного способа физическое ограничение, заклочающееся в противоречивости требований, предъявляемых к пленке нитрида.

Сравнение с базовым аналогом, в

Ф . качестве которого выбрана техйология изготовления ИС памяти íà ЯНОГ ;транзисторах типа 559PP1 (SKO 348,348 TY) показывает, что использование пред-.

Редактор О. Юркова Техред ц.N»> pH; »> лагаемого способа позволяет суц ественно увеличить выход годных ИС примерно в 1,3 раза без какого-либо усложнения их конструкции, при минимальном повышении трудоемкости изготовления кристаллов. При этом существенно улучшаются эксплуатационные характеристики ИС за счет расширения температурного диапазона их работы.