Способ изготовления мноп-структур

Способ изготовления мноп-структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОПСТРУКТУР . включающий химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее в деиониэованной воде, последовательное формирование в реакторе слоИзобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления структур, применяемых при изготовлении МНОП-транзисторов в дискретном или интегральном исполнении. Структуры кремний-двуокись кремнияни вид кремния-полевой электрод (М НОП) с туннельно-прозрачным окислом нашли самое широкое применение при создании электрически перепрограммируемых постоянных интегральных схем (ИС). Основной проблемой МНОП-технологии является получение воспроизводимых параметров туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния. Известен способ изготовления МНОПструктур в технологии изготовления ИС-памяти на основе МНОП-транзисторов. МНОП-структура в данной технологии формируется в области канала МНОП-транзистора на.кремниевой подложке после удаления в растворе плавиковой кислоты ев двуокиси и нитрида кремния и электрода, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрофизических параметров за счет стабилизации порогового напряжения и увеличения напряжения пробоя, формирование слоев двуокиси кремния в реакторе проводят в атмосфере закиси азота до получения слоя двуокиси кремния требуемой толщины, после чего закись азота откачивают,. 2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что окисление проводят при давлении 13-2-Ш Па и температуре 700-950°С. 3 Способ по п. 1,отличающийся тем, что формирование слоев двуокиси и нитрида кремния проводят в одном рабочем объеме. СО с ранее созданного слоя термического слоя двуокиси кремния. После травления в растворе плавиковой кислоты кремниевую подложку подвергают химической обработке с целью удаления с поверхности загрязнений и проводят формирование туннельно-проо о зрачног слоя двуокиси кремния толщиной 10-150 А путем термического окисления в 00 смеси кислорода с инертным газом. Затем о поверх всей структуры осаждают слой нитрида кремния и напыляют Металлические электроды. Основным недостатком способа является раздельное (в двух различных реакторах) создание слоев: тункельно-прозрачного слоя двуокиси кремния и слоя нитрида кремния . При попадании подложек с туннельнопрозрачным слоем двуокиси кремния в атмосферу производственного помещения происходит адсорбция на поверхности под

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ся)з Н 011 21/314

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3692142/25 (22) 20.01.84 (46) 30,09.92. Бюл. N 36 (72) M. С. Сухов. С, М. Кокорин, К. Я. Сай бель.

С. А. Камбалин и Т. В. Слугина (53) 621.382(088.8) (56) Патент США N 3877055, кл. Н 01 L 11/34. опублик. 1978.

Патент Японии N ç 5522, -123473, кл, Н 01 L 21/31, опублик. 1977.

Отчет организации П/Я А — 1889 по теме

"Ритм", Новосибирск,1983. (54)(57)1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОПСТРУКТУР, включающий химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее в деиониэованной воде, последовательное формирование в реакторе слоИзобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления структур, применяемых при изготовлении МНОП-транзисторов в дискретном или интегральном исполнении.

Структуры кремний-двуокись кремниянитрцр кремния-полевой электрод (М Н ОП) с туннельно-прозрачным окислом нашли самое широкое применение при создании электрически перепрограммируемых постоянных интегральных схем (ИС).

Основной проблемой МНОП-технологии является получение воспроизводимых параметров туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния.

Известен способ изготовления МНОПструктур в технологии изготовления ИС-памяти на основе МНОП-транзисторов.

МНОП-структура в данной технологии формируется в области канала МНОП-транзистора на кремниевой подложке после удаления в растворе плавиковой кислоты ев двуокиси и нитрида креМния и электрода, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрофизических параметров за счет стабилизации порогового.напряжения и увеличения напряжения пробоя, формирование слоев двуокиси кремния в реакторе проводят в атмосфере закиси азота до. получения слоя двуокиси кремния требуемой толщины, после чего закись азота откачивают.

2. Способпо и. 1,отл ича ю щийся тем, что окисление проводят при давлении

13 — 2 10 Па и температуре 700 — 950 C.

3; Способ по и. 1,отл и ча ю щи йся тем, что формирование слоев двуокиси и нитрида кремния проводят водном рабочем обьеме. ранее созданного слоя термического слоя двуокиси кремния. После травления в растворе плавиковой кислоты кремниевую подложку подвергают химической обработке с целью удаления.с поверхности загрязнений и проводят формирование туннельно-про- зрачноп слоя двуокиси кремния толщиной

10-150 А путем термического окисления в смеси кислорода с инертным газом. Затем поверх всей структуры осаждают слой нитрида кремния и напыляют Металлические электроды.

Основным недостатком способа является раздельное (e двух различных реакторах) создание слоев;. туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния и слоя нитрида кремния.

При попадании подложек с туннельнопрозрачным слоем двуокиси кремния в атмосферу производственного помещения происходит адсорбция на поверхности под1160091 женил пробоя МНОП-структуры, что t} 25

35 ложек молекул воды и органических соединений, Во время нагрева подложки в реакторе для осаждения слоев нитрида кремния происходит неконтролируемое взаимодействие воды с кремнием с образованием слоя двуокиси кремния, что дает неконтролируемое увеличение толщины туннельно-прозрачного слоя, Одновременно при прогреве в инертной или восстановительной атмосфере происходит пиролиз молекул органических соединений, при этом на поверхности образуются углеродные, графитовые загрязнения. Изменение толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния приводит к невоспроизводимости характеристик МНОП-транзисторов, конкретно — величин пороговых напряжений транзисторов в состояниях логического нуля и лОгической единицы, т.е, после программирования.

Наличие углеродных включений приводит к уменьшению нижней границы напрлданном случае очень критично, поскольку программирование МНОП-транзисторов проводится при высоких напряженностях поля (Е = 4x10 В/см).

Известен способ изготовления МНОПструктур, входящих в состав МНОП-транзисторов с поликремниевым электродом.

Данный способ отличается от ранее описанного только тем, что материал электрода не металл, а поликремний, и имеет те же недостатки, Наиболее близким техническим решением являетсл способ изготовления МНОПструктур, включа}ощий химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее, в деионизованной воде, последовательное форМирование в реакторе слоев двуокиси и нитриде кремнил и электрода (3).

Способ заключается в следующем.

Предварительно подложку обрабатывают последовательно в смесях Н2ЯОл:Н>О> и

МНлОН:Нг02 с целью удаления органических и неорганических загрязнений. От следов КН4ОН подложки отмывают в деионизовайной воде. Образующийся остаточный окисел стравливают в растворе

НГ;Н20= I:100. Непосредственно после травления с целью стабилизации поверхности кремния проводятся обработка 0 безводной смеси хлористого метилена и изопропилового спирта. Не позже, чем через 2 ч после данной обработки, формируется туннельно-прозрачный слой двуокиси кремния пу1ем ерМического окисления в

20 смеси Не:Oz=3000 I при температуре 900 С, и подложки помеща}от в реактор длл осаждения слоев нитрида кремния, представля}ощий собой вертикальный реактор с индукционным íà ревом. Слой нитрида кремния осаждают из парогазовой смеси

Б}С}л:КНз:Н2 при температуре подло>ккодер>кателл 950"С, Подложки извлекают из реактора, и поверх слоя нитрида кремния формиру}от металлический или поликремниевый электрод.

Характерным длл данного способа лвляется следующее.

1. Плохая воспроизводимость Kol!8÷íîè (в сформированной структуре) толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния, что связано с наличием двух

}ле>ко}}ерацио}} tt ttx utnvnoD, }tot>t Docn роизводимостью процесса.термического окисления в смеси Не:О и возможностью подрастания слоя B процессе осаждения слол нитрида кремния. Гак, например, увеличение толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния против номинальной на 1 А приводит к уменьшению ttopotoвого напряжения транзистора в состолнии логической единицы на 20-30%, наличие yt.т}ерода снижает напряжение пробоя в 2 — 3 раза, 2. Низкие значенил напряженил пробоя

МНОП-структур, что связано с органическими загрязнениями, образу}ощимисл íà llo еерхности подложек во время двух ме>каперационttûõ циклов.

3. Низкие з}}аченил напряжения пробоя окисной изоляции МНОП-тра}}зистора, что связано с подтравлива}}ием сформированной на более ранних этапах изготовления транзисторов изоляции в смеси HF:Н>0 при травлении остаточного окисла.

Целью изобретения являетсл улучшение электрофизических параметров за счет стабилизации порогового напряжения и увеличения напрях<ения пробоя.

Поставленная цель достигаетсл тем, что в способе изготовления МНОП-структур, включа}ощем химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее в деионизованной воде, последовательное формирование в реакторе слоев двуокиси и нитрида кремния и электрода, формирование слоев двуокиси кремния в реакторе проводят в атмосфере закиси азота до получения двуокиси кремния требуемой толщины, после чего закись азота откачивают; окисление проводят при давлении

0,13 гПа — 2 атм и температуре 700-950 С; формирование слоев двуокиси кремния и нитрида кремния проводлт в од}}ом рабочем объеме.

1160891

Устранение из маршрута изготовления

МНОП-структур операции травления остаточного окисла в водном растворе фтористоводородной кислоты позволяет увеличить напряжение пробоя окисной изоляции транзисторов. Удаление составляющей S10y. остаточного окисла в настоящем случае протекает за счет испарения в вакууме при температуре 700 — 900ОС..

Окисление в атмосфере закиси азота позволяет увеличить однородность толщины туннельчо-прозрачного слоя двуокиси кремния в силу того, что процесс разложения закиси азота на кислород, являющийся непосредственным окислителем, и азот протекает достаточно медленно. Это позволяет существенно снизить скорость скисления по сравнению со смесями инертного газа с кислородом и тем самым увеличить воспроизводимость результатов, Так, окисление в смеси Не:02 протекает (для требуемой толщины 20": 2 A) всего

2 мин, в то время как при окислении в атмосфере закиси азота при температуре 950 С и давления 013 гПа — 60 мин; 1 атм — 12 мин;

1 о °

2 атм — 6 мин, а при температуре 700 С и давлениях 0,13 гПа — 166 мин; ": атм—

40 мин; 2 атм — 24 мин. Кроме того, в данном способе исключается попадание в реактор неконтролируемых окислительных добавок за счет газа-разбавителя, поскольку газ-разбавитель (азот) образуется непосредственнО при разложении закиси азота, . Пример. Кремниевая подложка и-типа подвергается термическому окислению при температуре 950ОС в парогазовой смеси кислород-пары воды-трихлорэтилен в течение 10 мин.

Образующийся термический окисел удаляется в буферном травителе состава

ВН4Е:НР:H202, и подложка подвергается последовател ьно обработке в смесях

Н2504:Н202 и 1чН4ОН;Н202. После обработки подложку помещают в нагретый до температуры 850 С кварцевый реактор.

Реактор откачивают с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 1,3 Па и подложку выдерживают в вакууме в течение 15 мин, достаточных для прогрева ее до температуры реактора. Вакуумный насос отключают от реактора, приводят напуск закиси азота до давления 130 гПа, и выдерживают подложку в данных условиях в течение

42 мин. Толщина туннельно-прозрачного слоя двуокиси кре .ния составляет в этом случае 21ч-1 А. Вакуумный насос вновь подключают к реактору, закись азота откачивают до остато ного давления 1,3 Па, и проводят осаждение слоя нитрида кремния

25

30 тур, полученных по данному способу и спо40 .собу-прототипу (в данном случае он

5

° Р толщиной 500. 50 А из моносилгна и аммиака. После осаждения слоя подложку извлекают из реактора и проводят формирование электрода затвора осаждением слоя Поли-. кристаллического кремния.

Примеры осуществления способа при других температурах и давлениях приведены в таблице.

Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что туннельно-прозрачные слои двуокиси кремния во всем исследованном диапазоне температур возможно получить, начиная с давления

0.13 гПа. При более низких давлениях закиси азота концентрация окислителей в остаточной атмосфере сопоставима с концентрацией закиси азота, поэтому говорить об окислении в закиси азота невозможно. Создать давление более 2,0 атм невозможно из-за нарушения герметичности (целостности) кварцевого реактора. Заменить кварцевый реактор на металлический нельзя, т,к. металлический реактор может привести к загрязнению поверхности подложек материалом реактора.

Поскольку данный процесс окисления необходимо совместить с процессом осаждения слоев нитрида кремния, то температура выбрана таким образом, чтобы крайние точки температурного диапазона 700950 С совпали с диапазоном температур осаждения слоев нитрида кремния в реакторе пониженного давления.

Время окисления подобрано таким образом, чтобы получить толщину слоя туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния

21+-1 А.

Сравнение характеристик.МНОП-струксовпадает с базовым) производилось по следующим параметрам: разброс значений пороговых напряжений МНОП-транзисторов, изготовленных по предлагаемому способу и способу-прототипу; разброс значений напряжения пробоя окисной изоляции МНОП-транзисторов; разброс толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния.

Номинал толщины слоя во всех случаях составил 21 А, толщина слоя нитрида кремния 500 +50 А. Окисление.по предлагаемому способу проводилосЬ в оптимальном режиме: 850 С, 133 гПа, 42 мин, Разброс значений величины порогового напряжения в состоянии логической единицы Up1 МНОП-транзисторов для известного способа составляет Ì,5 В, при этом сред1160891

Температура окисле.ния, С

Давление закиси азота

Время окисления, мин

0,13 гПа

1,0 атм

2;0 атм

3,0 атм

950

0,13 гПа

1,0 атм

2,0 атм

3,0 атм

850

0,13 гПа

1,0 атм

2,0 атм

3,0 атм

700

Составитель М. Сухов

Редактор Е. Гиринская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И, Муска

Заказ 4056 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 нее значение составляет 5,5 В, Для предлагаемого способа среднее значение Uo1 составляет 7,0 В, разброс ь2 В, Меньшее среднее значение Uo> для известного способа объясняется увеличением толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния в процессе нанесения слоя нитрида кремния из-за наличия на поверхности кремния адсорбированной воды. Большое значение разброса величины Uo< для известного способа вызвано большим разбросом исходной толщины туннельно-прозрачного слоя.

Разброс значений напряжения пробоя

Unp окисной изоляции измерялся в структурах 8i-Si02-31зй4-$!и/х микросхем

558РР2, изготовленных по предлагаемому способу и способу-прототипу, Средняя величина Опл для известного способа на 30 В меньше, чем для предлагаемого способа.. Это вызвано воздействием травителя на основе плавиковой кислоты на изолирующий слой двуокиси кремния в известном способе при травлении остаточного окисла.

Сравнение разброса толщин туннельно-прозрачных слоев двуокиси кремния, полученных по двум способам, было проведено по десяти загрузкам (140 образ10 цов), Разброс толщин для известного способа составляет +2 А, для предлагаемого способа ь1 А.

15 Таким образом. данный способ позволяет создать МНОП-структуры с улучшенными характеристиками по разбросу пороговых напряжений, напряжения пробоя окисной изоляции и толщины туннель20 но-прозрачного слоя, 64

12

Нарушение герметичности реактора

88 i 8

Нарушение герметичности реактора

166

24

Нарушение герметичности еакто а