RU2206141C1 - Способ изготовления мдп-транзисторов - Google Patents
Способ изготовления мдп-транзисторов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2206141C1 RU2206141C1 RU2002107349/28A RU2002107349A RU2206141C1 RU 2206141 C1 RU2206141 C1 RU 2206141C1 RU 2002107349/28 A RU2002107349/28 A RU 2002107349/28A RU 2002107349 A RU2002107349 A RU 2002107349A RU 2206141 C1 RU2206141 C1 RU 2206141C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threshold voltage
- electron
- charge
- thermal annealing
- transistors
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Использование: в полупроводниковой технологии для изготовления дискретных МДП-транзисторов и интегральных микросхем. Технический результат изобретения - упрощение способа и повышение точности подгонки порогового напряжения МДП-транзистора. Сущность изобретения: способ включает операции формирования на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирования металлической разводки, определения величины подгонки порогового напряжения ΔUo и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔUo±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р-канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге. В качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворный диэлектрик заряда электронов плотностью
где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2; Uн - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2; Uн - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления дискретных МДП-транзисторов и интегральных микросхем.
Известен способ изготовления МДП-транзисторов [1], включающий формирование на кремниевой подложке областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика с последующей подгонкой порогового напряжения, выполняемой после формирования металлической разводки путем облучения структуры рентгеновским излучением дозой
где D - доза облучения, Р; Е3 - ширина запрещенной зоны диэлектрика, эВ; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; μ - массовый коэффициент поглощения диэлектрика, см2/г; ρ - плотность диэлектрика, г/см3; d - толщина диэлектрика, см; ΔU - величина подгонки порогового напряжения, В.
где D - доза облучения, Р; Е3 - ширина запрещенной зоны диэлектрика, эВ; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; μ - массовый коэффициент поглощения диэлектрика, см2/г; ρ - плотность диэлектрика, г/см3; d - толщина диэлектрика, см; ΔU - величина подгонки порогового напряжения, В.
Недостатком данного способа является сложность технической реализации, связанная с использованием рентгеновского излучения, а также невысокая точность подгонки порогового напряжения вследствие невозможности индивидуальной подгонки для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления МДП-транзисторов с пороговым напряжением U0 [2], включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлизированной разводки и подгонку порогового напряжения путем облучения пластины рентгеновским излучением дозой насыщения, после чего пластины облучают ультрафиолетовым излучением с энергией квантов в интервале 4,35÷8,8 эВ и проводят их термический отжиг, причем первоначально экспериментально определяют изменение порогового напряжения ΔU при выбранных режимах термического отжига, а обработку в ультрафиолетовом пучке проводят до достижения величины порогового напряжения МДП-транзисторов, равной U0±ΔU, где знаки "+" и "-" - соответственно для р- и n-канальных МДП-транзисторов.
В качестве недостатков этого способа можно отметить сложность технической реализации, связанную с необходимостью использования двух видов облучения - рентгеновского и ультрафиолетового, а также невозможность индивидуальной подгонки порогового напряжения для МДП-транзисторов, находящихся на одной полупроводниковой пластине, что снижает точность подгонки.
Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности подгонки порогового напряжения МДП-транзистора.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления МДП-транзисторов, включающему формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения ΔU0 и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔU0±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р-канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге, в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворный диэлектрик заряда электронов плотностью
где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2; UH - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В.
где q - заряд электрона, Кл; σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2; UH - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В.
На фиг.1 представлено изменение порогового напряжения МДП-транзистора в зависимости от величины заряда, инжектированного в подзатворный диэлектрик в сильных электрических полях (1), и изменение порогового напряжения МДП-транзистора после отжига (2).
На фиг.2 показаны токи термостимулированной деполяризации, измеренные на исходных МДП-структурах (0) и структурах после подгонки порогового напряжения различными плотностями инжектированного заряда: (1) - 10-4 Кл/см2; (2) - 4•10-5 Кл/см2.
Способ основан на том, что часть электронов, инжектируемая в подзатворный диэлектрик МДП-транзистора в сильных электрических полях, захватывается на ловушки в объеме диэлектрика. Накопление отрицательного заряда в подзатворном диэлектрике приводит к изменению порогового напряжения МДП-транзистора.
Изменение порогового напряжения МДП-транзистора в зависимости от величины инжектированного заряда можно описать следующей зависимостью [3, 4]
где значения сечения захвата (σ) и напряжение насыщения изменения порогового напряжения (UН) необходимо определять для каждого конкретного типа подзатворного диэлектрика путем измерения экспериментальной зависимости ΔU0 от Qinj фиг.1 (кривая 1). Затем, проведя дифференцирование и последующее логарифмирование зависимости (2), получим
Таким образом, величина сечения захвата σ может быть найдена из наклона прямой
а величина UH - из отрезка, отсекаемого этой прямой на оси 
Выражение (2) можно записать в виде, удобном для определения требуемой величины плотности заряда, которую необходимо инжектировать в подзатворный диэлектрик для коррекции порогового напряжения МДП-транзистора на величину ΔU0:
Для повышения стабильности параметров получаемых приборов после инжекции заряда необходимо проводить термический отжиг, в результате которого наблюдается стекание части отрицательного заряда, имеющей низкую температурную стабильность.
где значения сечения захвата (σ) и напряжение насыщения изменения порогового напряжения (UН) необходимо определять для каждого конкретного типа подзатворного диэлектрика путем измерения экспериментальной зависимости ΔU0 от Qinj фиг.1 (кривая 1). Затем, проведя дифференцирование и последующее логарифмирование зависимости (2), получим
Таким образом, величина сечения захвата σ может быть найдена из наклона прямой
Для повышения стабильности параметров получаемых приборов после инжекции заряда необходимо проводить термический отжиг, в результате которого наблюдается стекание части отрицательного заряда, имеющей низкую температурную стабильность.
Таким образом, окончательное выражение для определения величины инжектированного заряда, необходимого для корректировки порогового напряжения на величину ΔU0 с учетом стекания части отрицательного заряда при отжиге, можно представить в виде (1), где величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге ΔU должна предварительно определяться для каждого конкретного типа подзатворного диэлектрика путем измерения экспериментальных зависимостей ΔU0 от Qinj после соответствующих отжигов фиг.1 (кривая 2).
Способ по п.1 отличается тем, что термический отжиг пластин проводят при 200-250oС в течение 0,5-1 часа. Для определения физических ограничений температурного диапазона отжига использовался метод токов термостимулированной деполяризации (ТСД) [3], позволяющий определить температурную стабильность отрицательного заряда, используемого для подгонки порогового напряжения. На фиг. 2 показаны типичные зависимости токов ТСД, полученные для исходных МДП-структур (0) и структур после подгонки порогового напряжения различными плотностями инжектированного заряда. На фиг.2 показан также статистический разброс экспериментальных значений для диэлектрических пленок, полученных по различным технологиям. Как видно из фиг.2, на кривых ТСД можно выделить три характерных участка. На I участке, ограниченном температурой 200oС, происходит стекание части отрицательного заряда, имеющего низкую температурную стабильность. На II участке релаксация отрицательного заряда уменьшается и при выдержке образца в течение 0,5 до 1 часа практически полностью прекращается. На III участке при температурах более 250oС начинает релаксировать термостабильная часть отрицательного заряда, а при температурах более 300oС как в исходных образцах, так и в образцах после подгонки, в подзатворном диэлектрике наблюдается накопление положительного заряда. Таким образом, при температурах более 250oС начинается резкое уменьшение величины отрицательного заряда, используемого для управления пороговым напряжением МДП-транзистора, и эффективность метода значительно снижается. Длительность отжига устанавливают в пределах от 0,5 до 1 часа. При меньших временах отжига могут не закончиться процессы электрической релаксации в МДП-транзисторах. В результате этого уменьшается зарядовая стабильность прибора. Увеличение длительности отжига более 1 часа нецелесообразно, поскольку зарядовая стабильность приборов при этом практически не увеличивается, а производительность метода снижается.
Пример реализации способа
Для отработки способа была изготовлена опытная партия МДП-транзисторов с р-каналом. Опытные образцы были выполнены по стандартной технологии изготовления р-канальных МДП-транзисторов, используемой в КМДП-ИС 564 серии с алюминиевым затвором. Подзатворный диэлектрик изготовлялся по стандартным технологическим режимам ИС 564 серии и представлял собой термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС) [3,4] . Общая толщина диэлектрика составляла 100 нм, а слоя ФСС - около 15 нм. После формирования A1-разводки на МДП-транзисторах при помощи 3-зондовой установки проводился первичный контроль начального порогового напряжения, которое составляло U0=-3,0±0,3 В. Необходимо было получить две группы транзисторов с пороговым напряжением -2,0±0,3 В и -1,5±0,3 В. Таким образом, требуемая величина подгонки порогового напряжения для первой группы составляла -ΔU0= 1,0 В, а для второй - ΔU0=1,5 В. Из экспериментальной зависимости ΔU0 от величины инжектированного заряда было установлено, что в пленке ФСС присутствуют электронные ловушки с сечением захвата 1,4•10-15 см2, а величина изменения порогового напряжения, соответствующего режиму насыщения, UH= 6 В. При отжиге МДП-транзисторов при 225oС в течение 0,5-1 часа релаксирует около 50% захваченного отрицательного заряда во всем диапазоне Qinj и, следовательно, изменение порогового напряжения после отжига для транзисторов первой группы будет составлять ΔU= 1,0 В, а для второй - ΔU=1,5 В. Тогда с использованием выражения (1) была рассчитана величина заряда, которую необходимо инжектировать в подзатворный диэлектрик для требуемой коррекции порогового напряжения МДП-транзисторов первой и второй групп:
Затем к затвору МДП-транзистора прикладывалось постоянное напряжение положительной полярности, обеспечивающее туннельную по Фаулеру-Нордгейму инжекцию электронов в подзатворный диэлектрик из кремниевой подложки, а величина инжектированого заряда контролировалась путем измерения временной зависимости плотности инжекционного тока, и при инжекции требуемой плотности заряда электронов напряжение отключалось. После коррекции порогового напряжения на каждом транзисторе полупроводниковая пластина отжигалась при температуре 225oС в течение 45 минут. Контрольные измерения порогового напряжения на МДП-транзисторах после отжига показали, что пороговые напряжения транзисторов первой группы лежат в диапазоне -2,0±0,3 В, а второй -1,5±0,3 В.
Для отработки способа была изготовлена опытная партия МДП-транзисторов с р-каналом. Опытные образцы были выполнены по стандартной технологии изготовления р-канальных МДП-транзисторов, используемой в КМДП-ИС 564 серии с алюминиевым затвором. Подзатворный диэлектрик изготовлялся по стандартным технологическим режимам ИС 564 серии и представлял собой термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС) [3,4] . Общая толщина диэлектрика составляла 100 нм, а слоя ФСС - около 15 нм. После формирования A1-разводки на МДП-транзисторах при помощи 3-зондовой установки проводился первичный контроль начального порогового напряжения, которое составляло U0=-3,0±0,3 В. Необходимо было получить две группы транзисторов с пороговым напряжением -2,0±0,3 В и -1,5±0,3 В. Таким образом, требуемая величина подгонки порогового напряжения для первой группы составляла -ΔU0= 1,0 В, а для второй - ΔU0=1,5 В. Из экспериментальной зависимости ΔU0 от величины инжектированного заряда было установлено, что в пленке ФСС присутствуют электронные ловушки с сечением захвата 1,4•10-15 см2, а величина изменения порогового напряжения, соответствующего режиму насыщения, UH= 6 В. При отжиге МДП-транзисторов при 225oС в течение 0,5-1 часа релаксирует около 50% захваченного отрицательного заряда во всем диапазоне Qinj и, следовательно, изменение порогового напряжения после отжига для транзисторов первой группы будет составлять ΔU= 1,0 В, а для второй - ΔU=1,5 В. Тогда с использованием выражения (1) была рассчитана величина заряда, которую необходимо инжектировать в подзатворный диэлектрик для требуемой коррекции порогового напряжения МДП-транзисторов первой и второй групп:
Затем к затвору МДП-транзистора прикладывалось постоянное напряжение положительной полярности, обеспечивающее туннельную по Фаулеру-Нордгейму инжекцию электронов в подзатворный диэлектрик из кремниевой подложки, а величина инжектированого заряда контролировалась путем измерения временной зависимости плотности инжекционного тока, и при инжекции требуемой плотности заряда электронов напряжение отключалось. После коррекции порогового напряжения на каждом транзисторе полупроводниковая пластина отжигалась при температуре 225oС в течение 45 минут. Контрольные измерения порогового напряжения на МДП-транзисторах после отжига показали, что пороговые напряжения транзисторов первой группы лежат в диапазоне -2,0±0,3 В, а второй -1,5±0,3 В.
Последующие испытания с наложением рабочих напряжений на электроды прибора и с дополнительным нагревом (до 500 часов при температуре 80÷100oС) показали стабильную работу транзисторов.
Применение сильнополевой инжекции заряда в подзатворный диэлектрик МДП-транзисторов для коррекции их порогового напряжений позволяет исключить использование радиационных излучений, а также значительно повысить качество за счет возможности индивидуальной подгонки порогового напряжения каждого конкретного МДП-транзистора.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР 1176777, кл. H 01 L 21/268. 1984.
1. Авторское свидетельство СССР 1176777, кл. H 01 L 21/268. 1984.
2. Авторское свидетельство СССР 1464797, кл. H 01 L 21/268. 1987.
3. Гороховатский Ю.А. Основы термодеполяризационного анализа. -М.: Наука, 1981, 176 с.
Claims (2)
1. Способ изготовления МДП-транзисторов, включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения напряжения ΔUo и выполняемой затем подгонки порогового напряжения путем внешнего воздействия на величину ΔUo±ΔU с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р- канальных МДП-транзисторов, ΔU - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию в подзатворнный диэлектрик заряда электронов плотностью
где q - заряд электрона, Кл;
σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2;
Uн - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В.
где q - заряд электрона, Кл;
σ - сечение захвата электронных ловушек в подзатворном диэлектрике, см2;
Uн - напряжение насыщения изменения порогового напряжения МДП-транзистора в процессе инжекции, В.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термический отжиг пластины проводят при 200-250oС в течение 0,5-1,0 ч.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002107349/28A RU2206141C1 (ru) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Способ изготовления мдп-транзисторов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002107349/28A RU2206141C1 (ru) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Способ изготовления мдп-транзисторов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2206141C1 true RU2206141C1 (ru) | 2003-06-10 |
Family
ID=29211663
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002107349/28A RU2206141C1 (ru) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | Способ изготовления мдп-транзисторов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2206141C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7679166B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-03-16 | International Business Machines Corporation | Localized temperature control during rapid thermal anneal |
| US7692275B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-04-06 | International Business Machines Corporation | Structure and method for device-specific fill for improved anneal uniformity |
| US7745909B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-06-29 | International Business Machines Corporation | Localized temperature control during rapid thermal anneal |
| US7759773B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-07-20 | International Business Machines Corporation | Semiconductor wafer structure with balanced reflectance and absorption characteristics for rapid thermal anneal uniformity |
-
2002
- 2002-03-25 RU RU2002107349/28A patent/RU2206141C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7679166B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-03-16 | International Business Machines Corporation | Localized temperature control during rapid thermal anneal |
| US7692275B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-04-06 | International Business Machines Corporation | Structure and method for device-specific fill for improved anneal uniformity |
| US7745909B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-06-29 | International Business Machines Corporation | Localized temperature control during rapid thermal anneal |
| US7759773B2 (en) | 2007-02-26 | 2010-07-20 | International Business Machines Corporation | Semiconductor wafer structure with balanced reflectance and absorption characteristics for rapid thermal anneal uniformity |
| US7898065B2 (en) | 2007-02-26 | 2011-03-01 | International Business Machines Corporation | Structure and method for device-specific fill for improved anneal uniformity |
| US8080465B2 (en) | 2007-02-26 | 2011-12-20 | International Business Machines Corporation | Semiconductor wafer structure with balanced reflectance and absorption characteristics for rapid thermal anneal uniformity |
| US8080485B2 (en) | 2007-02-26 | 2011-12-20 | International Business Machines Corporation | Localized temperature control during rapid thermal anneal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Derbenwick et al. | Process optimization of radiation-hardened CMOS integrated circuits | |
| Huard et al. | NBTI degradation: From physical mechanisms to modelling | |
| US4748131A (en) | Method for increasing radiation hardness of MOS gate oxides | |
| Zhang et al. | Hole traps in silicon dioxides. Part I. Properties | |
| Balk et al. | High temperature annealing behavior of electron traps in thermal SiO2 | |
| Hughes | Radiation-induced perturbations of the electrical properties of the silicon-silicon dioxide interface | |
| JPH11317461A (ja) | デュアルゲートｃｍｏｓ素子用の窒素注入された極めて薄いゲート酸化物の形成方法 | |
| Saks et al. | Effects of post-stress hydrogen annealing on MOS oxides after/sup 60/Co irradiation or Fowler-Nordheim injection | |
| RU2206141C1 (ru) | Способ изготовления мдп-транзисторов | |
| Andreev et al. | Modification of thin oxide films of MOS structure by high-field injection and irradiation | |
| Aichinger et al. | Impact of hydrogen on recoverable and permanent damage following negative bias temperature stress | |
| EP1308995A2 (en) | Semiconductor Device Having A Dielectric Layer With A Uniform Nitrogen Profile | |
| Zhang et al. | Degradation of oxides and oxynitrides under hot hole stress | |
| JPS62265769A (ja) | 電界効果トランジスタのスレツシヨルド電圧を調節する方法 | |
| Tseng et al. | ALD HfO~ 2 using Heavy Water (D~ 2O) for Improved MOSFET Stability | |
| Chen et al. | Lateral distribution of radiation-induced damage in MOSFETs | |
| Lenahan et al. | Generation of paramagnetic point defects in silicon dioxide films on silicon through electron injection and exposure to ionizing radiation | |
| Roper et al. | Devlopement of a Radiation Hard N-Channel Power MOSFET | |
| Ruch et al. | Generation of hot-carrier induced border and interface traps, investigated by spectroscopic charge pumping | |
| Okumura et al. | Graded-junction gate/n/sup-/overlapped LDD MOSFET structures for high hot-carrier reliability | |
| RU2206142C1 (ru) | Способ изготовления мдп-транзисторов | |
| de Vasconcelos et al. | Correlation between dopant reduction and interfacial defects in low-energy x-ray-irradiated MOS capacitors | |
| Andreev et al. | Charge characteristics of MOS structure with thermal SiO 2 films doped with phosphorus under high-field electron injection | |
| Sah et al. | New method for separating and characterizing interface states and oxide traps on oxidized silicon | |
| JP3264323B2 (ja) | リバースプロファイリング方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040326 |