Способ изготовления мноп-структур

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК ОЕЪ я)5 Н 011 21/314 о бр.ажки. ослее слояМв ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(54)(57)1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МСТРУКТУР, включающий химическуюботку полупроводниковой подлопромывку ее в деиониэованной воде, идовательное формирование в реактор Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления структур, применяемых при изготовлении МНОП-транзисторов в дискретном или интегральном исполнении.Структуры кремний-двуокись кремнияниерцр кремния-полевой электрод (М Н ОП) с туннельно-прозрачным окислом нашли самое широкое применение при создании электрически перепрограммируемых постоых интегральных схем (ИС). Основной проблемой МНОП-технологии является получение воспроизводимых параметров туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния.Известен способ изготовления МНОП- структур 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 кислотыев двуокиси и нитрида кремния и электрода, о т л и ч а ю щ и й с я 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 кремний требуемой толщины, после чего закись азота откачивают.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что окисление проводят при давлении 13 - 210 Па и температуре 700 - 950 ОС.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 сло двуокиси кремния. После травления в растворе плавиковой кислоты кремниевую подложку подвергают химической обработке с целью удаления.с поверхности загрязнений и проводят формирование туннельно-про- зрачного 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 в двух различных реакторах) создание слоев;. туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния и слоя нитрида кремния.При попадании подложек с туннельно- прозрачным слоем двуокиси кремния в атмосферу производственного помещения происходит адсорбция на поверхности под 1160891ложек 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, графитавые загрязнения. Изменение толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния приводит к неваспроизводимости характеристик МНОП-транзисторов, конкретно - величин пороговых напряжений транзисторов в состояниях логического нуля и лагической единицы, т,е, после программирования,Наличие углеродных включений прлводит к уменьшению нижней границы напря 5 10 15 20 жения пробоя МНОП-структуры, что в 25данном случае очень критично, поскольку программирование МНОП-транзисторов проводится при высоких напряженностях поля (Е =4 х 10 В/см).Известен способ изготовления МНОП- структур, входящих в состав МНОП-транзисторов с поликремниевым электродом.Данный способ отличается от ранее описанного только тел, что материал электрода не металл, а поликремний, и имеет те же недостатки,Наиболее близким техническим решением является способ изготовления МНОПструктур, включаащий химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее, в деионизованной воде, последовательное форМирование в реакторе слаев двуокиси и нитриде кремния и электрода 31.Способ заключается в следующем, Предварительно подложку обрабатывают последовательно в смесях Н 2 ЯОл:Н 202 и МНлОН:Н 202 с целью удаления органических и неорганических загрязнений. От следов КН 4 ОН подложки отмывают в деианизовайной воде. Образующийся остаточный акисел стравливают в раствореНГ:Н 20=1:100. Непосредственна после травления с целью стабилизации поверхности кремния проводятся обработка в безводной смеси хлористого метилена и изапрапилавого спирта. Не позже, чем через 2 ч после данной обработки, формируется туннельно-прозрачный слой двуокиси кремния пу 1 ем ерМическога окисления в смеси Не:02=3000;1 при температуре 900 С,и подложки помещают в реактор для осаждения слоев нитрида кремния, представляющий собой вертикальный реактор синдукционным нац)евам. Слой нитридакремния осаждают из парогазовой смеси5 Сл:КНз:Н 2 при температуре подлоккодеркателя 950"С, Подложки извлекают изреактора, и поверх слоя нитрида кремнияформируот металлический или поликремниевый электрод.Характерным для данного способа является следующее,1. Плохая воспроизводимость конечноив сформированной структуре) толщины туннельно-прозрачного слоя двуокиси кремния, что связано с наличием двухмс)коперэцио ных циклов, малой восг 1 роизводимостью процесса.термического окисления в смеси Не:02 и возможностьюподрастания слоя в процессе осажденияслоя нитрида кремния. Гак, например, увеличение толщины туннельно-прозрачногослоя двуокиси кремния против номинальной на 1 А приводит к уменьшению горогового напряжения транзистора в состояниилогической единицы на 20-30%, наличие уплерода снижает напряжение пробоя в 2 - 3раза,2. Низкие значения напряжения пробояМНОП-структур, чта связано с органическими загрязнениями, образующимися на поверхности подложек во время двухмежоперационных циклов.3. Низкие значения напряжения пробояокисной изоляции МНОП-транзистора, чтосвязано с цодтравливанием сформированной на более ранних этапах изготовлениятранзисторов изоляции в смеси НЕ:Н 20 притравлении остаточного окисла.Целью изобретения является улучшение электрофизических параметров за счетстабилизации порогового напряжения иувеличения напряжения пробоя.Поставленная цель дастигаэтся тем, чтов способе изготовления МНОП-структур,включающем химическую обработку полупроводниковой подложки, промывку ее вдеионизованной воде, последовательноеформирование в реакторе слоев двуокиси инитрида кремния и электрода, формирование слоев двуокиси кремния в реакторе проводят в атмосфере закиси азота дополучения двуокиси кремния требуемойтолщины, после чего закись азота откачивают; окисление проводят при давлении0,13 гПа - 2 атм и температуре 700-950 С;формирование слоев двуокиси кремния инитрида кремния проводят в одном рабочемобьеме.Устранение из маршрута изготовления МНОП-структур операции травления остаточного окисла в водном растворе фтористоводородной кислоты позволяет увеличить напряжение пробоя окисной изоляции транзисторов, Удаление составляющей 510 остаточного окисла в настоящем случае протекает за счет испарения в вакууме при температуре 700 - 900 С,.Окисление в атмосфере закиси азота позволяет увеличить однородность толщины туннельно-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.ф. 2 А) всего 2 мин, в то время как при окислении в атмосфере закиси азота при температуре 950 ОС и давления 013 гПа - 60 мин; 1 атм - 12 мин;1о 2 атм - 6 мин, а при температуре 700 С и давлениях 0,13 гПа - 166 мин; 1 атм - 40 мин; 2 атгл - 24 мин. Кроме того, в данном способе исключается попадание в реактор неконтролируемых окислительных добавок за счет газа-разбавителя, поскольку газ-разбавитель (азот) образуется непосредствен- нО при разложении закиси азота,. П р и м е р. Кремниевая подложка и-типа подвергается термическому окислению при температуре 950 ОС в парогазовой смеси кислород-лары воды-трихлорэтилен в течение 40 мин.Образующийся термический окисел удаляется,в, буферном травителе состава ВН 4 Е;НР:Н 202, и подложка подвергается последовательно обработке в смесях Н 2504:Н 202 и КН 4 ОН;Н 202. 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 21 чА. Вакуумный насос вновь подключают к реактору, закись азота откачивают до остаточного давления 1,3 Па, и проводят осаждение слоя нитрида кремния20 25 30 тур, полученных по данному способу и спо 40 .собу-прототипу (в данном случае он 50 55 51015 отолщиной 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 выбоана таким образом, чтобы крайние точки температурного диапазона 700- 950 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 кремния21+-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 001 МНОП-транзисторов для известного способа составляет М,5 В, при этом сред1160891 Температура окислеия, Давление закиси азота Время окисления,мин 0,13 гПа 1,0 атм2;0 атм3,0 атм 950 950 950 950 0,13 гПа1,0 атм 2,0 атм 3,0 атм 850 850 850 850 0,13 гПа 1,0 атм 2,0 атм3,0 атм 700 700 700 700 Составитель М. Сухов Редактор Е, Гиринская Техред М.Моргентал Корректор И, МускаЗаказ 4056 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 нее значение составляет 5,5 В, Для предлагаемого способа среднее значение Оо 1 составляет 7,0 В, разброс ь 2 В, Меньшее среднее значение Оо 1 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 Оо 1 для известного способа вызвано большим разбросом исходной толщины туннельно-прозрачного слоя.Разброс значений напряжения пробоя Опр окисной изоляции измерялся в структурах 31-302-31 зйд-Япlх микросхем 558 РР 2, изготовленных по предлагаемому способу и способу-прототипу,Средняя величина Опп для известного способа на 30 В меньше, чем для предлагаемого способа,. Это вызвано воздействием травителяна основе плавиковой кислоты на изолирующий слой двуокиси кремния в известном способе при травлении остаточного окисла.5 Сравнение разброса толщин туннельно-прозрачных слоев двуокиси кремния,полученных по двум способам, было проведено по десяти загрузкам (140 образ 10 цов),Разброс толщин для известного способа составляет +2 А, для предлагаемого способа ь 1 А,15 Таким образом. данный способ позволяет создать МНОП-структуры с улучшенными характеристиками по разб росу пороговых напряжений, напряжения пробоя окисной изоляции и толщины туннель но-прозрачного слоя,64126Нарушение герметичности реактора881810Нарушение герметичности реактора1664024Нарушение герметичности еакто а