Способ формирования полевого кмоп транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов (варианты)

Способ формирования полевого кмоп транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов (варианты)

Реферат

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технологии изготовления КМОП-транзисторов, в частности к способам управления напряжением срабатывания полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов.

Известно изобретение «Полупроводниковые устройства и способ их производства» (Патент №US 7238996, опубл. 2005-12-01), в котором полупроводниковое устройство содержит кремневую подложку, n-типа транзистор, сформированный на кремневой подложке и содержащий пленку с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и поликристаллическую кремниевую пленку, а также p-типа транзистор на кремневой подложке и содержащий пленку диэлектрика низкой концентрации с большим коэффициентом диэлектрической проницаемости. Обе пленки содержат один или два металлических элемента Hf или Zr. Задачей данного изобретения является уменьшение порогового напряжения и улучшения прочих характеристик полевого транзистора. Улучшение характеристик достигается использованием таких материалов для диэлектрической (изолирующей) пленки затвора, позволяющих увеличить общую емкость МОП-структуры, сокращая ток утечки затвора Но пороговое напряжение для транзистора Р-типа, использующего пленку, содержащую элементы Hf, Zr и т.п. увеличено по сравнению с транзистором на основе пленки SiO₂, из-за так называемого «пиннинга» уровня Ферми, т.е. взаимного смещения зон из-за образования встроенного и поверхностного заряда в пленках оксидов и в конечном счете в увеличении предлагается использовать различную стехиометрию пленки, т.е. изменять соотношение НfO₂ и SiO₂

Недостатком данного способа является невозможность управления напряжением переключения и уменьшения напряжения переключения полевого транзистора n-типа.

Известно изобретение «Выборочное внедрение барьерных слоев в КМОП устройства с диэлектриками, обладающими высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости с целью контроля порогового напряжения» (Заявка № WO 2005122286, опубл. 2005-12-22), в котором описан способ формирования КМОП-структуры и устройства, в основе которого она лежит, с улучшенным пороговым напряжением и стабильностью напряжения плоских зон. Способ включает стадии, на которых происходит образование на полупроводниковой подложке областей n- и p-полевого транзистора; образование диэлектрической слоистой структуры поверх полупроводниковой подложки, включающей изолирующий слой на диэлектрике с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости; удаление изолирующего слоя с области n-типа, не удаляя при этом изолирующий слой с области p-типа; и образование по крайней мере одного затвора в p-области и хотя бы одного в n-области. Изолирующим слоем может быть AlN или AlO_xN_y, толщина которого приблизительно от 1 до 25 Å. Изолирующий слой может быть сформирован различными процессами осаждения, например, осаждением из химической паровой фазы (CVD), послойного атомного осаждения (ALD), используя нитриды и оксинитриды Al, Ga, In. Диэлектриком с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости может быть НfO₂, силикат гафния или оксинитрид гафния с кремнием. Изолирующий слой можно удалить с n-области используя жидкостное травление раствором пероксида HC₁/H₂O₂. Изолирующий слой в данном изобретении применяется только для p-типа транзистора.

Недостатком данного изобретения является невозможность управления напряжением переключения и уменьшения напряжения переключения полевого транзистора n-типа.

Задачей данного изобретения является обеспечение управления напряжением переключения полевого транзистора n-типа и p-типа, используя для этого предварительную подготовку поверхности подзатворного диэлектрика перед осаждением на нее металлического затвора.

Данная задача по варианту 1 решается созданием способа формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. и металлических затворов, включающего осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, при этом поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С, с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar, при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме.

Кроме того, формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

Кроме того, осаждают металлический затвор толщиной от 300-3000 нм.

Кроме того, металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

Кроме того, полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

Кроме того, на подложке формируют подслой SiO₂.

Кроме того, формируют подслой SiO₂ химическим способом толщиной 0.1-1 нм.

Данная задача также по варианту 2 решается созданием способа формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающего осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, при этом поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С, с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar, при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме, после чего на 1-10 мин выносят на атмосферу воздуха.

Кроме того, формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

Кроме того, металлический затвор толщиной от 300-3000 нм.

Кроме того, металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

Кроме того, полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

Кроме того, на подложке формируют подслой SiO₂.

Кроме того, формируют подслой SiO₂ химическим способом толщиной 0.1-1 нм.

Данная задача также по варианту 3 решается созданием способа формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающего осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, при этом подложку с осажденным слоем диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости нагревают в вакууме до температуры 500-800°С, при давлении остаточных газов менее 10^-5 mbar, в течение времени не менее 5 минут, и далее производят осаждение металлического затвора на нагретую подложку.

Кроме того, формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

Кроме того, металлический затвор толщиной от 300-3000 нм.

Кроме того, металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

Кроме того, полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

Кроме того, на подложке формируют подслой SiO₂.

Кроме того, формируют подслой SiO₂ химическим способом толщиной 0.1-1 нм.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема этапов формирования КМОП-транзистора.

В таблице приведены значения измеренных энергий связи уровня Hf4f и относительных изменений «эффективной» работы выхода Ni при различных подготовительных операциях.

Способ по вариантам 1, 2, 3 осуществлялся следующим образом.

Экспериментальные результаты были получены на спектрометре XSAM-800 (Kratos), совмещенным с двумя сверхвысоковакуумными (СВВ) камерами. Камера препарирования (давление 10^-7 Па) используется для контролируемого роста с помощью импульсного лазерного осаждения (ИЛО) ультратонких слоев Ni и Si.

Осаждение осуществляется с использованием второй гармоники иттрий-алюминиевого гранатового (YAG):Nd лазера (λ=532 нм), работающего в режиме модулированной добротности (т=15 нс) с различной выходной энергией Е=50-150 мДж и частотой импульсов U=30 Гц. Скорость осаждения, непосредственно откалиброванная измерениями Резерфордовского обратного рассеяния (POP), составляет ~0.01-0.1 монослой/импульс. Эта технология позволяет выращивать сверхтонкие слои с точным составом и толщиной.

Рентгеновское фотоэлектронные (Мg Кα источник с энергией фотона Е=1253.6 eV) спектры остовных уровней Si 2p, Ni 2p, Hf 4f, О 1s записывались после каждого шага нанесения и формирования силицида. Фотоэлектронный пик Аu 4f c энергией связи 84 eV использовался как опорный для калибровки спектрометра. Толщина слоев Ni, вычисляемая из числа импульсов осаждения, калибровалась с помощью резерфордовского обратного рассеяния (POP).

Способ формирования полевого КМОП транзистора (фиг.1), созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающий осаждение слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, например HfO₂, на полупроводниковой подложке, например кремния Si, (фиг.1-1) стандартным методом ALD (atomic layer deposition - послойного атомного осаждения), на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, при этом поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С, с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar, при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме, продолжительность остывания в вакууме не менее 5 минут (фиг.1-2). Слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости формируют толщиной от 1-10 нм, металлический затвор толщиной от 300-3000 нм из никеля (Ni).

Кроме того, полупроводниковая подложка может быть выполнена из кремния (Si), на подложке формируют химическим способом подслой SiO₂ толщиной 0.1-1 нм.

По варианту 2 поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С, с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar, при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме, продолжительность остывания не менее 5 минут, после чего выносят на атмосферу воздуха на время 1-10 мин (фиг.1). Слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости формируют толщиной от 1-10 нм, металлический затвор толщиной от 300-3000 нм из никеля (Ni).

По варианту 3 подложку с осажденным слоем диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости нагревают в вакууме при температуре 500-800°С, при давлении остаточных газов менее 10^-5 mbar, в течение времени не менее 5 минут и далее производят осаждение металлического затвора на нагретую подложку (фиг.1-2). Слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости формируют толщиной от 1-10 нм, металлический затвор толщиной от 300-3000 нм из никеля (Ni).

Металлический затвор (Ni) осаждают на сформированную структуру любым методом, например импульсным лазерным осаждением, осаждением из химической паровой фазы, испарением или любым другим способом во всех вариантах.

Примеры осуществления способа.

На поверхность НfO₂, выращенного методом послойного атомного осаждения, толщиной 30 Å была нанесена пленка никеля номинальной толщины 15 Å, методом импульсного лазерного осаждения. Предварительно поверхность оксида была очищена от органического загрязнения прогревом в вакууме до температуры 300°С. Спектры были откалиброваны по спектральной линии никеля Ni2p с известным значением энергии связи ЭС_Ni2p=852.5 эВ.

Были изготовлены 3 типа образцов и измерены «эффективные» работы выхода никеля. Результаты измерений приведены в таблице.

Результаты измерений значений энергий связи и соответствующего изменения поверхностного диполя на границе раздела полностью совпадают с ожидаемыми. Наибольшее значение энергии связи остовного уровня Hf4f, a следственно, и наименьшей «эффективной» работой выхода Ni обладает образец, где осаждение металлического слоя происходило на нагретую подложку, то есть на подложку, обладающую максимальным числом вакансий по кислороду, которые, как уже описывалось ранее, должны уменьшать значение «эффективной» работы выхода. Наименьшее значение энергии связи, отвечающее случаю наибольшей «эффективной» работы выхода, наблюдается в случае, когда осаждение производилось на образце, проэкспонированном в атмосфере воздуха, то есть насыщенным кислородом и с минимальным числом вакансий. Промежуточное значение «эффективной» работы выхода имеет образец, который был отожжен в вакууме, но осаждение проводилось на остывшую подложку. Это можно объяснить тем, что в процессе остывания остаточный кислород в камере пассивировал часть вакансий, что привело к наблюдаемым изменениям (фиг.1).

Во всех вариантах уменьшение толщины диэлектрика приводит к росту токов утечки через затвор, а ее увеличение - к уменьшению удельной емкости структуры, соответственно толщину подбирают из условий, необходимых для конечного устройства.

Во всех вариантах температура отжига в вакууме определяется следующими соображениями: при увеличении температуры (вплоть до Т=800°С) происходит частичная кристаллизация оксида гафния, что увеличивает токи утечки сквозь оксид по границам зерен. При Т>800°С, по мере укрупнения кристаллитов в пленке НfO₂ образуются нанопоры. Одновременно происходит разложение SiO₂ на границе раздела с подложкой, при применении Si, с образованием летучего оксида SiO, который покидает поверхность через образованные нанопоры. В результате разрушения буферного слоя (SiO₂) кремний оказывается в непосредственном контакте с кристаллическим НfO₂, и ничто не препятствует его диффузии по поверхности оксида. Кроме того, при повышении температуры происходит интенсивное образование вакансий по кислороду в объеме НfO₂, а в случае отжига в сверхвысоком вакууме - диффузия кислорода к поверхности образца и при достаточно низком парциальном давлении HfO₂ - его уход в вакуум. При этом в поверхностной (~1 монослоя) области НfO₂ происходит эффективная «металлизация» НfO₂. что приводит к неработоспособности транзистора. При уменьшении температуры ниже Т=500°С уменьшается количество вакансий по кислороду в объеме диэлектрика и изменения напряжения переключения становятся меньше.

Толщина затвора влияния не оказывает и подбирается из соображений удобства изготовления.

В прототипе для управления напряжения переключения используется различная стехиометрия пленки, меняют соотношение НfO₂ и SiO₂, что уменьшает диэлектрическую проницаемость подзатворного диэлектрика и требует одновременного осаждения НfO₂ и SiO₂, что в случае атомного послойного осаждения (текущего технологического процесса в современной микроэлектронной промышленности) требует использования 4-х прекурсоров вместо 2-х в случае нанесения только пленки НfO₂. В то время как в предлагаемом изобретении изменяют содержание кислорода в пленке оскида гафния - это позволяет сохранить диэлектрическую проницаемость пленки подзатворного диэлектрика на уроне диэлектрической проницаемости НfO₂ - это позволяет делать физическую толщину диэлектрика больше, а следовательно, уменьшать уровень утечек через затвор, без потери емкости МОП-структуры - т.е. без потери скорости срабатывания транзистора.

Таким образом данный способ позволяет управлять напряжением переключения полевого транзистора любого типа с помощью предварительной подготовки поверхности подзатворного диэлектрика перед осаждением на нее металлического затвора, при этом улучшаются параметры транзистора - уменьшается ток утечек и увеличивается скорость срабатывания.

Таким образом, данное изобретение позволило управлять напряжением переключения полевого транзистора любого типа, как n-типа, так и p-типа, тогда как в прототипе управляют напряжением переключения полевого транзистора только для p-типа.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить напряжение переключения полевого транзистора n-типа и p-типа, используя для этого предварительную подготовку поверхности подзатворного диэлектрика перед осаждением на нее металлического затвора.

Таблица
Значения измеренных энергий связи уровня Hf4f и относительных изменений «эффективной» работы выхода Ni при различных подготовительных операциях.
Подготовка поверхности	Энергия связи BEHf4f, eV	ΔWFNi, eV
Отжиг в вакууме, кратковременный вынос на атмосферу.	16.65	+0.2
Отжиг в вакууме, осаждение на остывшую подложку.	16.85	0
Отжиг в вакууме, осаждение на нагретую подложку.	17.1	-0.25

1. Способ формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающий осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, отличающийся тем, что поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что металлический затвор осаждают толщиной от 300-3000 нм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что на подложке формируют подслой SiO₂.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что подслой SiO₂ формируют толщиной 0.1-1 нм.

8. Способ формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающий осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, отличающийся тем, что поверхность осажденного слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости подвергают отжигу в вакууме при температуре 500-800°С с давлением остаточных газов менее 10^-5 mbar при продолжительности отжига 3-10 мин, после отжига осуществляют остывание в вакууме, после чего на 1-10 мин выносят на атмосферу воздуха.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что металлический затвор толщиной от 300-3000 нм.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что на подложке формируют подслой SiO₂.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что подслой SiO₂ формируют толщиной 0.1-1 нм.

15. Способ формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающий осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят изолирующий слой, на который осаждают металлический затвор, отличающийся тем, что подложку с осажденным слоем диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости нагревают в вакууме при температуре 500-800°С при давлении остаточных газов менее 10^-5 mbar в течение времени не менее 5 минут, и далее производят осаждение металлического затвора на нагретую подложку.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что формируют слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что металлический затвор выполнен из никеля (Ni).

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что металлический затвор толщиной от 300-3000 нм.

19. Способ по п,15, отличающийся тем, что полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что на подложке формируют подслой SiO₂.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что подслой SiO₂ формируют толщиной 0.1-1 нм.