Особенности технологии изготовления подзатворного диэлектрика толщиной менее 10 нм
advertisement
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
