Загрузил zhavoronkovlew

Особенности технологии изготовления подзатворного диэлектрика толщиной менее 10 нм

реклама
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения
Реферат
“Особенности технологии изготовления подзатворного
диэлектрика субмикронных ИС толщиной менее 10 нм”
Выполнил:
Студент гр. ЭПбо 4-5
Жаворонков Лев Георгиевич
Таганрог, 2021 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАНЫЕ С УМЕНЬШЕНИЕМ
ТОЛЩИНЫ ПОДЗАТВОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ИХ РЕШЕНИЕ ........... 4
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗАТВОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ......... 10
1. Формирование окисных слоев ...................................................................... 10
1.1 Методом термического окисления.......................................................... 10
1.1 Метод пирогенного окисления ................................................................ 11
1.2 Метод быстрой термообработки ............................................................. 11
2. Формирование оксинитридных слоев .......................................................... 12
2.1 Термообработка в атмосфере NH3 .......................................................... 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 16
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 17
2
ВВЕДЕНИЕ
Вторая половина XX века характеризуется возникновением и бурным
развитием
микроэлектроники,
что
означало
революционизирующее
воздействие на развитие практически всех отраслей промышленности и
мировую экономику в целом. К началу XXI века субмикронные сверхбольшие
интегральные схемы (СБИС) стали основой компьютеров, сотовых телефонов,
систем технического зрения, устройств промышленной автоматики – всех
современных
средств
радиоэлектроники
и
вычислительной
техники.
Субмикронными технологии включают технологии изготовления элементов с
минимальными размерами менее 1 мкм. [1]
При переходе к размерам элементов диапазона 1–0,1 мкм требуется смена
практически всего технологического оборудования и использование новых
процессов. Многие физические процессы и явления, которые были
несущественными при больших размерах элементов начинают оказывать
влияние пренебрегать которым уже невозможно. Все вышеперечисленное
коснулось и технологии создания подзатворных диэлектриков.
3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАНЫЕ С УМЕНЬШЕНИЕМ
ТОЛЩИНЫ ПОДЗАТВОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ИХ РЕШЕНИЕ
В качестве подзатворных диэлектриков в промышленном производстве
ИС в течение весьма продолжительно отрезка времени (примерно 40 лет)
применяется – двуокись кремния (SiO2). В промышленных условиях с точки
зрения техники, на пластинах диаметром 200 мм пределом является толщина
окисла 1,5 нм и менее. Однако с точки зрения практического опыта
допустимая минимальная толщина составляет 3,5 нм. Ограничивающим
фактором
выступает
возникновение
тока
прямого
туннелирования.
Минимально допустимая толщина определяется исходя из условия равенства
туннельного тока затвора и подпорогового тока в цепи исток-сток. На момент
2011 года исследования показали, что 1,6 нм – это предельное значение
толщины
подзатворного
окисла,
с
учетом
влияния
тока
прямого
туннелирования. Однако помимо тока прямого туннелирования необходимо
учитывать квантово-механический эффект распределения носителей заряда в
канале и эффект обеднения носителями поликремниевого затвора. С учетом
всего вышеперечисленного минимально допустимая толщина подзатворного
диэлектрика составляет 2,3 нм. В случае дальнейшего уменьшения толщины
окисла туннельный ток начнет увеличиваться по экспоненте [2].
С другом стороны при уменьшении толщины окисла возрастает
плотность дефектов, что также является проблемой при формировании
подзатворных диэлектриков. В добавок при формировании тонких слоев
4
диэлектрика предъявляются повышенные требования к воспроизводимости и
однородности пленок.
К технологическим методам формирования подзатворных диэлектриков
предъявляются ряд требований. Перечислим их [2,3]:
1) Малая величина дисперсии толщины окисла
2) Низкая плотность дефектов
3) Высокая среднее значение и низкая величина дисперсии предельной
напряженности электрического поля
4) Низкая плотность зарядов в окисле и на поверхностных состояниях
5) Высокая стойкость к воздействию электрических стрессов, достаточно
большой срок службы
6) Малая плотность кулоновских центров рассеивания и максимально
возможное сглаживание микрорельефа границы кремний-диэлектрик
7) Хорошие барьерные свойства, ограничивающие диффузию бора из
затвора p+ типа
Повышение воспроизводимости и однородности толщины окисла является
непременным
условием
минютиаризации
МОПТ
(Металл-оксид-
полупроводник транзистор). Связано это со снижением напряжения питания в
масштабируемых СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), что в свою
очередь влечет к появлению все более и более жестких требований к
снижению дисперсии как порогового напряжения, так и крутизны МОПТ.
Процесс термического окисления, широко применяемый в промышленности
при формировании cлоев подзатворных диэлектриков двуокиси кремния
5
(SiO2), характеризуется значением допустимого отклонения толщины менее
5%. Сложность задачи обеспечения воспроизводимого формирования
термического окисла обусловлена его малой толщиной: так, слой двуокиси
кремния толщиной 10 нм содержит от 40 до 50 монослоев, тогда как при
толщине 3 нм , всего навсего от 10 до 15 монослоев [2]. При этом требования
к допустимой плотности дефектов сохраняются.
Одним из путей решения проблемы возрастания плотности дефектов при
уменьшении толщины окисла является формирования окисла методом
осаждения, поскольку, в отличии от метода термического окисления,
предотвращает появление эффекта “наследование” дефектов подложки.
Однако
наиболее
удачно
себя
показала
интеграция
процессов
первоначального окисления, осаждения и последующего уплотнения –
окисления. В данном случае формируется граница раздела Si – SiO2 , c
параметрами, характерными для термического окисления, однако при этом
обеспечивается и низкая плотность дефектов.
Определяющую роль в реализации вышеперечисленных требований к
подзатворному диэлектрику, играет структура переходного слоя границы
раздела Si – SiO2. Толщина зависит от метода окисления и приблизительно
колеблется от 0,8 – 1,4 нм при термическом окислении в печи и 0,2 – 0,3 нм
при быстром окислении [2]. Именно он определяет характеристики
подзатворного окисла, такие как: энергия образования поверхностных
состояний, плотность и положение кулоновских центров относительно
границы Si – SiO2 , параметры микрорельефа поверхности кремния. От этих
6
характеристик в свою очередь зависит стойкость подзатворного окисла к
воздействию горячих носителей, предельно допустимая напряженность
электрического поля в окисле, подвижность носителей в канале МОПТ.
Однако необходимо учитывать, что переходный слой имеет структурные
несовершенства, включающие в себя: оборванные и деформированные связи
Si – O, связи Si – Si, кластеры атомов Si на границе Si – SiO2. Плотность
структурных несовершенств может быть снижена при использовании
окислителей с большей реакционной способностью, чем молекулярный
кислород и вода. С этой целью используют плазмостимулированное
окисление радикалами кислорода или окисление в среде озона при
атмосферном давлении. Помимо решения вышеочисленной проблемы и
снижения температуры окисления этот метод создает слаборазвитый
микрорельеф границы раздела, что способствует повышению подвижности
носителей
и
улучшению
надежностных
характеристик
окисла.
Характеристики надежности окисла, опреляется плотностью накопленного до
пробоя заряда, и зависит от уровня механических напряжений и
соответствующих деформаций связей Si – O, возникающих при окислении на
границе Si – SiO2.
Однако формирование границы раздела Si – SiO 2 не решает проблемы
невоспроизводимости порогового напряжения из-за проникновения бора в
область канала при использовании затворов p+ типа в p-канальных МОПТ.
Уменьшение уровня легирования затвора может ограничить проникновения
бора в окисел. Однако это не лучшее решение, поскольку это приводит к
7
увеличению эффективной толщины окисла вследствие обеднения затвора
носителями в режиме сильной инверсии. Данная проблема стимулировала
развитие метода термического нитрирования подзатворного окисла. Помимо
решение вышеуказанной проблемы, это способствовало повышению его
стойкости к воздействию электрических стрессов. Однако при термическом
нитрировании максимум концентрации азота располагается вблизи границы Si
– SiO2 , что ограничивает проникновение бора в область канала, но это не
решает проблемы накопления бора в объеме окисла, что приводит к снижению
его
надежности.
Эта
низкотемпературного
проблема
была
решена
плазмостимулированного
при
использовании
процесса
нитрирования
подзатворного окисла, в котором максимум концентрации азота располагается
на
внешней
поверхности,
окисла.
Помимо
этого,
дополнительным
существенным достоинством данного метода является сохранение величины
подвижности носителей, которая свойственна МОПТ с чистым подзатворным
окислом. Вдобавок использование слоев нитрида кремния в качестве
подзатворного диэлектрика позволяет увеличить емкость затвора МОПТ, что
позволяет уменьшить толщины эквивалентного слоя окисла. Увеличение
емкости затвора обусловлено вдвое большей диэлектрической проницаемости
нитрида кремния по сравнению с двуокисью кремния.
Из-за вышеописанных преимуществ применения нитрида кремния в
качестве подзатворного диэлектрика были предприняты многочисленные
попытки улучшения их характеристик. К примеру, имелась попытка
получения нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика CVD8
методами.
Однако
эти
попытки
были
неудачными
из-за
неудовлетворительных свойств границы раздела нитрид-кремний, а так-же
высокой концентрации ловушек в объеме. Значительные успехи в улучшении
характеристик подзатворных диэлектриков на основе нитрида кремния были
достигнуты при использовании метода низкотемпературного струйного
осаждения (или JVD – Jet Varon Deposition). В ходе экспериментов было
установлено, что МДПТ с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2 –
Si3N4 толщиной 2-4 нм, осажденного методом низкотемпературного струйного
осаждения, имеет значительные преимущества перед МОПТ с подзатворным
окислом в ряде параметров, таких как: величина инжектированного зарядов до
пробоя, ток утечки затвора, крутизна и ток стока транзистора.
Однако при всех преимуществах использования нитрида кремния в
качестве подзатворного диэлектрика, его применение эффективно лишь до тех
пор, пока его толщина не достигнет туннельной прозрачности. В связи с этим
весьма
востребованными
альтернативных
диэлектриков,
являются
с
более
технологии
высокой
формирования
диэлектрической
проницаемостью, по сравнению с Si3N4 (7,8), таких как Ta2O5 (26), TiO2 (30) и
др [2,3].
9
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗАТВОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
1. Формирование окисных слоев
1.1 Методом термического окисления
Тонкие ( < 10 нм ) слои SiO2 можно изготавливать при пониженной
температуре, пониженном давлении и в различной газовой среде (
разбавленном O2; O2 + H2; озоне или парах воды ).
На рисунке 1 демонстрируется кинетика термического окисления
кремния в печи с использованием разбавленной кислородной среды при
температурах 900, 950 и 1000 градусов, а также при 800 градусах в среде O2 +
HCl.
Рисунок 1 – Кинетические зависимости окисного слоя
от времени окисления при различной температуре
10
Из графика видно, что при указанных условиях слои оксида кремния
можно выращивать до толщин 4 нм за приемлемое время и с хорошей
управляемостью процесса окисления [2].
1.1 Метод пирогенного окисления
Методом пирогенного окисления возможно формирование окисных
слоев толщиной до 5 нм, характеризующиеся высокой предельной
напряженностью электрического поля и высоким значением плотности
инжектированного в SiO2 заряда до пробоя. Условием получения является
сбаласированность концентраций водорода и кислорода. При использовании
пониженного давления предоставляется возможность управления скоростью
окисления. Оптимизация параметров процесса окисления в печи позволяет
получать тонкие окисные слои высокого качества.
1.2 Метод быстрой термообработки
Методом быстрой термообработки возможно выращивание тонких
диалектических слоев ( от 2 до 8 нм ) за время, не превышающее 60 с. Системы
быстрого термического окисления, использующие галогенные лампы в
качестве источника тепла, обеспечивают высокие скорости изменения
температуры. При добавлении в реакционную среду N2O или NO позволяет
выращивать оксинитридные слои. При проведении процесса окисления в
диапазоне толщин менее 3,5 нм, важно, уменьшить концентрацию кислорода
и снизить общее давление газовой среды.
11
На рисунке 2 изображена кинетика окисления в режиме быстрой
термообработки.
Рисунок 2 – Кинетика окисления в режиме быстрой
термообработки при повышенной температуре в
диапазоне 900 – 1100 ℃ в течении 60 с
Метод быстрой термообработки имеет ряд недостатков [4]:
1) Cостояние обратной стороны пластины влияет на излучающую
способность, а значит, оказывает влияние на температуру пластины.
2) Топологический рисунок оказывает влияние на температурный режим.
3) Проблем связанные с очисткой камеры, уменьшением времени
нарастания и спада температуры и времени окисления.
2. Формирование оксинитридных слоев
Оксинитридные диэлектрические слои в основном применяются в
качестве подзатворных слоев в КМОП СБИС. Оксинитридные слои
обеспечивают снижение захвата заряда на ловушки, увеличивают
стойкость к воздействию горячих носителей и подавляют диффузию бора
12
из затвора в окисел. Они могут формироваться путем термообработки
тонких окисных слоев в атмосфере NH3, N2O или NO [4].
2.1 Термообработка в атмосфере NH3
Термообработка в NH3 приводит к большой концентрации атомов
водорода в образующихся оксинитридных слоях, что в свою очередь
вызывает значительное увеличение скорости захвата электронов на
ловушки в окисле. Однако это обстоятельство можно преодолеть путем
использования
трехступенчатой
технологической
процедуры,
включающую в себя: выращивание окисного слоя методом быстрой
термообработки, нитрирование в среде NH3 с помощью метода быстрой
термической обработки в среде содержащей атомы азота, и быструю
термообработку с целью уменьшения содержания атомов водорода и
достижения высокого качества получаемого диэлектрика [2].
2.2 Термообработка в атмосфере N2O
Термообработка в N2O обеспечивает формирование оксинитридных
слоев без введения избыточной концентрации атомов водорода. При этом
используется двухступенчатая процедура, при которой на первом этапе
выращивается
окисный
слой,
а
затем
осуществляется
операция
нитрирования путем термообработки в N2O или NO. Кинетика роста
оксинитридных слоев в среде N2O при быстрой термической обработке в
среде содержащей атомы азота, характеризуется наличием сублинейного
участка, участка выхода на насыщение и участка насыщения достаточно
большой продолжительности. На рисунке 3 приводятся временные
13
зависимости приращения “диэлектрической” толщины слоев в случае N2O
– процесса при температуре 900, 950 и 1050 ℃.
Рисунок 3 – Изменение толщины окисного слоя в
зависимости от продолжительности экспозиции в
N2O, NO и O2 при различных температурах
Количество азота в слое зависит от температуры, а также от скорости
газового потока N2O. Концентрационный профиль (рисунок 4) атомов азота
в N2O – окисле, полученный методом масс-спектроскопии вторичных
ионов, имеет пик концентрации азота у границы раздела Si/SiO2,
расположенного на стороне окисла, при этом спектральным анализом
обнаружено наличие связей Si = N – O [2].
2.3 Нитрирование слоев с использованием NO
Процесс нитрирования слоев окисла с использованием в качестве
газовой среды окиси азота (NO) обеспечивает получение такой же
концентрации азота у границы раздела, что и в случае процесса в среде N2O,
но при относительно более низких температурах. Во время обработки в
среде NO наблюдается незначительное увеличение толщины формируемых
слоев в отличии от случая использования N2O. Это можно видеть на
14
рисунке 3 , где приращение толщины состовляет менее 1,0 нм при
термообработке в NO при разных температурах. Т.о, NO- процесс имеет
преимущество N2O, заключающиеся в возможности выращивать более
тонкие оксинитридные слои [2].
Рисунок 4 – ВИМС-профили распределения
концентрации кислорода (O) и азота (N) при
нитрировании слоя SiO2 в атмосфере N2O
2.4 Формирование нитрированных слоев методом осаждения
Формирование нитрированных слоев окисла методом осаждения
выполняется в LPCVD-системах или в реакторах быстрого термического
осаждения из газовой фазы. При этом используются следующие газовые
среды: SiH4+O2; Si2H6+O2; SiH4+N2O; SiCl2H2+N2O. При толщине
осаждаемых слоев менее 5 нм при производстве приборов с СVDдиэлектрическими слоями становится обеспечение воспроизводимости
толщины [2].
15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены проблемы связанные с переходом к
субмикронной технологии при формировании подзатворных диэлектриков. На
данный момент наиболее изученным и широко применяемым является
композитный слой SiO2 – Si3N4. Данный слой позволяет снизить дефектность,
туннельные токи и коэффициент диффузии бора. Дальнейший прогресс
КМОП-технологий связан с поиском и созданием технологии формирования
альтернативных
диэлектриков
с
более
высокой
диэлектрической
проницаемостью. Это позволит еще сильнее уменьшить длину канала без
уменьшения физической толщины диэлектрика и увеличения туннельных
токов. Одними из перспективных материалов считаются Ta2O5, TiO2 [2,3].
16
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рындин Е.А., Коноплев Б.Г. Cубмикронные интегральные схемы:
элементная база и проектирование. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 147 с.
2. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности
субмикронных МОП-транзисторов. – Москва: 2-е издание, исправленное.
3. Ю.Ф. АДАМОВ, А. М. ГРУШЕВСКИЙ, С.П. ТИМОШЕНКОВ. Современные
проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем: Уч.
пособие. Проектирование систем на печатных платах на САПР Mentor
Graphics Под ред. д.т.н., проф. Тимошенкова С.П., Часть 1 – М.: МИЭТ, 2008.
– 327 с.: ил.
4. Ковальчук Н.С., Омельченко А.А., Пилипенко В.А., Солодуха В.А.,
Шестовский Д.В. Формирование подзатворного диэлектрика нанометровой
толщины методом быстрой термообработки. Доклады БГУИР. 2021; 19(4):
103-112.
17
Скачать