3.2.4. Технология с многослойным диэлектриком

Наиболее ответственный этап изготовления МДП-ИМС - создание диэлектрического слоя под затвором, к которому предъявляются особые требования: высокая электрическая прочность ( В/см), минимальная величина и стабильность зарядов в слое и др. В настоящее время изоляцию затвора в кремниевых ИМС на МДП - транзисторах осуществляют с помощью двуокиси кремния SiO₂.

Однако этот диэлектрик проницаем для ионов щелочных металлов, вносимых во время технологической обработки Пластин и являющихся источником нестабильностей и неконтролируемого временного дрейфа электрических параметров прибора, властности порогового напряжения. Кроме того, оксид кремния обладает сравнительно невысокой диэлектрической проницаемостью ( ), а его толщина не превышает 0,1...0,2 мкм. Указанные недостатки оксидного диэлектрика обусловили поиск новых диэлектрических материалов для затвора.

В качестве материала для второго диэлектрического слоя затвора перспективными являются аморфные нитрид кремния Si₃N₄ ( ), оксид алюминия Al₂O₃ ( ), пятиокись тантала Ta₂O₅ ( ).

Нитрид кремния отличается высокой пассивирующей способностью, что связано с существенно меньшей (на несколько порядков) по сравнению с SiO₂ проницаемостью ионов натрия. Это свойство Si₃N₄ позволяет производить высокостабильные МДП-ИМС в пластмассовых корпусах.

Одновременное увеличение диэлектрика заметно снижает пороговое напряжение (на 1-1,5 В) и повышает удельную крутизну транзистора.

В первых экспериментах Si₃N₄ наносили непосредственно на открытую протравленную поверхность кремния, однако вскоре было обнаружено, что при этом на границе раздела нитрид - кремний при больших (порядка 30 В) напряжениях на затворе могут находиться и удерживаться после снятия напряжения неподвижные заряды соответствующих знаков, захватываемые граничными энергетическими состояниями. Такое явление приводило к неоднозначности порогового напряжения прибора и гистерезису, устранить которые удалось, формируя диэлектрик затвора в виде двух слоев, полученных осаждением слоя нитрида на термически выращенный слой оксида кремния толщиной около 0,5 мкм. При этом исключается возможность проникновения зарядов из объема полупроводника к границе нитрид-оксид и их захват. Пассивирующая способность нитрида в этом случае полностью сохраняется, а эквивалентная толщина диэлектрика затвора, приведенная к толщине оксида, уменьшается по сравнению с базовой технологией примерно в 1,5 раза. Плотность поверхностных состояний в таком диэлектрике ниже, чем в чистом оксиде.

Вредный для обычных МДП - транзисторов гистерезис порогового напряжения оказался весьма полезным для новых приборов - запоминающих транзисторов со структурой металл – нитрид - оксид - полупроводник (МНОП), обладающих свойством долговременной малоразрушаемой памяти. В таких приборах промежуточный слой оксида обычно делается достаточно тонким (порядка 0,002 мкм), что существенно облегчает накопление и удаление зарядов на границе Si₃N₄ – SiO₂ при подаче соответствующих напряжений на затвор прибора. Приборы МНОП могут быть использованы для создания оперативных ЗУ и электрически перестраиваемых постоянных ЗУ. При этом хранение одного бита информации выполняет один МНП - транзистор, что позволяет значительно повысить плотность размещения элементов на кристалле и степень интеграции.

Один из существенных недостатков технологии изготовления МДП-ИМС с нитридным диэлектриком - сложность контроля кракеса осаждения пленки Si₃N₄ и связанное с этим загрязнение кислородом, в результате чего образуется аморфная нитридно - оксидная смесь с неконтролируемыми свинствами. Однако при тщательном проведении процесса удается получать качественные пленки - нитрида с хорошей воспроизводимостью. Поэтому технология нитридных диэлектриков достаточно широко применяется в производстве ИМС как отдельно, так и в сочетании с другими технологическими модификациями. К сожалению, для нитридной технологии еще не до конца решена проблема получения высокого процента выхода годных ИМС.

Применение оксида алюминия Al₂O₃ (алунд) в качестве под-затворного диэлектрика обусловлено его способностью создавать на границе алунд - полупроводник неподвижные отрицательные заряды, что дает возможность изготавливать n-канальные МАОП - транзнсторы, работающие в режиме обогащения с пороговыми напряжениями около +1 В. МДП-ИМС, изготовленные с применением оксида алюминия, обладают большей стабильностью при воздействии температуры.

Слои Al₂O₃ обычно получают анодным окислением алюминия или осаждением Al₂O₃, как и SiO₂, из металлоорганических соединений алюминия /9/. Однако до настоящего времени Al₂O₃ не нашел широкого применения в массовом производстве МДП-ИМС вследствие сложности процесса его осаждения и обработки.

Используя в качестве исходных продуктов смеси металлоорганических соединений кремния и алюминия, можно получать пленки алюмосиликатов (nAl₂O₃·mSiO₂), обладающие промежуточными свойствами по сравнению с Al₂O₃ и SiO₂.