3.3.3. Подзатворные диэлектрики

Технологический метод формирования подзатворного окисла должен удовлетворять следующим требованиям: 1) малая величина дисперсии толщины окисла T_ox; 2) низкая плотность дефектов D₀; 3) высокое 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 рассеяния и максимально возможное сглаживание микрорельефа границы кремний-диэлектрик; 7) хорошие барьерные свойства, ограничивающие диффузию бора из затвора p⁺-типа.

Двуокись кремния используется в качестве подзатворного диэлектрика в промышленном производстве ИМС в течение более 30 лет. В соответствии с принципами масштабирования МДПТ толщина подзатворного окисла T_ox непрерывно уменьшается, причем технически возможно формирование в промышленных условиях на пластинах диаметром 200 мм слоев окисла толщиной 1,5 нм и менее. Однако практически допустимая минимальная толщина термического окисла составляет ~ 3,5 нм, при этом плотность дефектов окисла D₀ (определяемая условием пробоя при E= 7,5 МВ/см и площади электрода 0,1 см²) достигает уровня 0,5 см^-2. Пределом, ограничивающим снижение толщины слоя SiO₂, является ток прямого туннелирования (при T_ox= 2,3 нм). Эта минимально допустимая толщина окисла определяется условием равенства туннельного тока затвора и подпорогового тока в цепи исток - сток. Обычно значение этого тока принимают равным ~1 нА/мкм. Исследования показали, что предельное значение T_ox равно 1,6 нм. С учетом кванто-механического эффекта распределения носителей в канале и эффекта обеднения носителями поликремниевого затвора минимально допустимое значение T_ox,eff составит 2,3 нм. Дальнейшее уменьшение T_ox,eff приводит к экспоненциальному росту туннельно тока. Значение T_ox,eff ≈ 2,3 нм, исходя из соотношений масштабирования МДПТ, соответствует физической длине затвора 0,1 мкм (L_eff= 0,06 мкм), т.е. проектным нормам 0,13 мкм.

Снижение напряжения питания в масштабируемых СБИС выдвигает все более жесткие требования к снижению дисперсии как порогового напряжения, так и крутизны МДПТ. Поэтому повышение воспроизводимости и однородности толщины подзатворного окисла является непременным условием масштабирования МДПТ. Процесс термического окисления в производственных условиях характеризуется значением допустимого отклонения толщины менее 5% (3σ). Сложность задачи обеспечения воспроизводимого формирования термического окисла обусловлена его малой толщиной: так, слой SiO₂ толщиной 10 нм содержит 40-50 монослоев, тогда как при толщине 3 нм - всего лишь 10-15 монослоев. При этом сохраняются требования к допустимой плотности дефектов D₀.

Возрастание плотности дефектов при уменьшении толщины окисла может быть ограничено путем формирования подзатворного окисла методом осаждения, так как этот метод предотвращает "наследование" дефектов подложки. Наиболее обещающим направлением является интеграция процессов первоначального окисления, осаждения и последующего уплотнения - окисления. В этом случае формируется граница раздела Si-SiO₂ с параметрами, характерными для термического окисления, и обеспечивается низкая плотность дефектов D₀.

Структура переходного слоя границы раздела Si-SiO₂ играет определяющую роль в реализации многих из вышеперечисленных требований к подзатворному окислу. Толщина структурного переходного слоя зависит от метода окисления и приблизительно равна 0,8-1,4 нм при термическом окислении в печи и 0,2-0,3 нм при быстром окислении. Именно этот переходный слой подзатворного окисла определяет такие его характеристики, как энергия образования поверхностных состояний, плотность и положение кулоновских центров относительно границы Si-SiO₂, параметры микрорельефа поверхности кремния, т.е. тех характеристик, от которых зависит стойкость подзатворного окисла к воздействию горячих носителей, предельно допустимая напряженность электрического поля в окисле, подвижность носителей в канале МДПТ и др. Плотность структурных несовершенств переходного слоя - таких как оборванные и деформированные связи Si-O, связи Si-Si, кластеры атомов Si на границе Si-SiO₂ - может быть снижена при использовании окислителей с большей реакционной способностью, чем молекулярный кислород и H₂O. С этой целью используют плазмостимулированное окисление радикалами кислорода или окисление в среде озона при атмосферном давлении. Помимо снижения температуры окисления и уменьшения плотности структурных несовершенств переходного слоя, эти методы окисления создают слаборазвитый микрорельеф границы раздела, что способствует повышению подвижности носителей и улучшению надежностных характеристик окисла.

Характеристики надежности окисла (времязависимый пробой (t_BD) -TDDB = Time Depended Dielectric Brekdown, определяемый плотностью накопленного до пробоя заряда Q_BD) зависят от уровня механических напряжений и соответствующих деформаций связей Si-O, возникающих при окислении на границе Si-O. При пирогенном окислении уровень механических напряжений снижается благодаря уменьшению вязкости окисла в присутствии H₂ и паров воды. Однако с ростом содержания водорода в реакторе концентрация Si-OH связей, так же как и плотность ловушек в окисле, повышается, поэтому соотношение O₂:H₂ при пирогенном окислении должно быть оптимизировано.

Необходимость использования затворов p⁺-типа в P-канальных МДПТ привела к проблеме невоспроизводимости порогового напряжения из-за проникновения бора в область канала. Кроме того, уменьшение уровня легирования затвора с целью ограничения проникновения бора в окисел приводит к увеличению эффективной толщины окисла вследствие обеднения затвора носителями в режиме сильной инверсии. Указанные проблемы стимулировали развитие методов термического нитрирования подзатворного окисла; одновременно 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 не предотвращает накопление бора в объеме окисла, приводя к снижению его надежности. Решение этих проблем достигается при использовании низкотемпературного плазмостимулированного процесса нитрирования подзатворного окисла, в котором максимум концентрации азота располагается на внешней поверхности окисла. Дополнительным существенным достоинством этого метода является сохранение величины подвижности носителей, свойственной МДПТ с чистым подзатворным окислом.

При изготовлении КМДП СБИС широко применяется низкотемпературный (400-450°С) отжиг МДПТ в водородной среде для пассивации оборванных связей на границе Si-SiO₂. Этот отжиг необходим для улучшения параметров М0ПТ, так как пассивация оборванных связей приводит к уменьшению заряда на поверхностных состояниях и увеличению плотности носителей в канале при заданном смещении на затворе. Однако в рабочем состоянии при повышенных напряжениях смещения параметры МДПТ могут деградировать в результате десорбции водорода, стимулированной горячими носителями. Обнаружено, что при замене водорода его изотопом дейтерием D₂ наблюдается значительное повышение стойкости связей Si-D к воздействию горячих носителей, в результате чего достигается увеличение срока службы приборов в 50-100 раз. Непосредственно после низкотемпературного отжига в среде водорода и дейтерия параметры МДПТ оказываются идентичными, т.е. и водород и дейтерий в равной степени пригодны для пассивации оборванных связей. Различие в параметрах МДПТ проявляется лишь в результате воздействия горячих носителей, что связано с более высокой прочностью связей Si-D. Наблюдаемый изотопный эффект при использовании дейтерия для пассивации оборванных связей позволяет при заданном сроке службы МДПТ увеличить напряжение питания V_DD, повысить максимально допустимое значение тока подложки и максимально допустимую напряженность электрического поля в канале. Поэтому низкотемпературный отжиг в атмосфере дейтерия рассматривается как метод ограничения эффекта горячих носителей наряду с использованием LDD - областей и снижением напряжения питания. При заданном сроке службы использование отжига в атмосфере дейтерия позволяет повысить ток стока и быстродействие приборов за счет повышения напряжения питания V_DD.

С ростом степени интеграции и ограничением допустимой мощности рассеяния СБИС появилась необходимость формировать на одном кристалле подзатворный окисел различной толщины. Это позволяет оптимизировать характеристики отдельных блоков СБИС: уменьшая толщину окисла T_ox и напряжение питания V_DD, снижать рассеиваемую мощность, а увеличивая t_ox и V_DD- уменьшать задержку распространения сигнала в критических цепях. Использование более низких значений T_ox позволяет также уменьшить влияние короткоканального эффекта и повысить воспроизводимость порогового напряжения. Среди различных методов создания подзатворных окислов различной толщины на одном кристалле следует выделить метод, в котором используется эффект снижения скорости окисления кремния, предварительно имплантированного ионами азота. При оптимизации режимов имплантации, постимплантационного отжига и окисления этот метод позволяет одновременно обеспечить повышение надежности тонкого подзатворного окисла.

Подзатворный диэлектрик на основе двуокиси кремния в течение более 30 лет являлся единственным материалом, удовлетворяющим требования к МДП - приборам. При переходе к глубокосубмикронным проектным нормам, когда толщина окисла приближается к порогу туннельной прозрачности (T_ox,eq= 2,3 нм), двуокись кремния необходимо заменить диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет увеличить его физическую толщину при неизменной эквивалентной (по отношению к SiO₂) толщине. Помимо уменьшения компоненты тока прямого туннелирования увеличение физической толщины диэлектрика позволяет снизить его дефектность в сравнении с ультратонкими слоями SiO₂. Однако увеличение толщины подзатворного диэлектрика с высокой проницаемостью имеет ограничение, связанное с двумерным характером распределения напряженности электрического поля. При увеличении отношения толщины диэлектрика к длине затвора растет доля краевого электрического поля, что приводит к ослаблению управляющей способности затвора контролировать плотность заряда в канале МДПТ и, соответственно, к усилению короткоканального эффекта.

Использование слоев нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика позволяет (благодаря вдвое большей диэлектрической проницаемости, чем у двуокиси кремния) увеличить емкость затвора МДПТ (уменьшить толщину эквивалентного слоя окисла). Многочисленные попытки использования слоев нитрида кремния, получаемых CVD - методами (методы осаждения из газовой фазы) качестве подзатворного диэлектрика были неудачными из-за неудовлетворительных свойств границы раздела нитрид-кремний, а также из-за высокой концентрации ловушек в объеме. Значительное улучшение качества подзатворного диэлектрика было получено при использовании низкотемпературного метода струйного осаждения (JVD=Jet Vapor Deposition) нитрида кремния. Было установлено, что электрофизические характеристики слоев Si₃N₄, формируемых методом струйного осаждения, по целому ряду ключевых параметров вполне приближаются к аналогичным показателям, характерным для слоев SiO₂. Было показано, что МДПТ с 2-слойным диэлектриком SiO₂-Si₃N₄ толщиной 2-4 нм, осажденного JVD - методом, имеет значительные преимущества перед МДПТ с подзатворным окислом по величине инжектированного заряда до пробоя, току утечки затвора, крутизне и току стока транзистора.

Использование нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика эффективно лишь до тех пор, пока его толщина не достигнет туннельной прозрачности. В связи с этим предпринимаются усилия по разработке технологии формирования альтернативных диэлектриков с более высокой диэлектрической проницаемостью, чем у Si₃N₄ (ε≈7,8), таких как Ta₂O₅ (ε≈26), TiO₂ (ε≈30), HfO₂ и ZrO₃. До настоящего времени ни один из этих диэлектриков не был успешно осажден непосредственно на кремний без использования промежуточного слоя SiO₂. Между тем, наличие этого слоя в сильной степени снижает эффективную емкость двухслойного диэлектрика C^-1_eff=C^-1_ox+C^-1_diel. Так как емкость окисла C_ox много меньше емкости альтернативного диэлектрика, то она и определяет значение C_eff, а его эквивалентная толщина не может быть меньше, чем толщина нижнего слоя окисла. Это делает понятной необходимость разработки технологии осаждения альтернативных диэлектриков непосредственно на кремний без промежуточного слоя SiO₂.

Потребности масштабирования МДПТ стимулировали обширные исследования новых методов формирования подзатворных диэлектриков, направленных на обеспечение малой дисперсии толщины и низкой дефектности, высокой стойкости к воздействию сильного электрического поля и стабильности характеристик в рабочих условиях, минимизации влияния на подвижность носителей в канале и т.п.