3.3.6. Формирование затвора

Обычно при изготовлении субмикронных МДПТ - транзисторов используется двухслойная конструктивно-технологическая структура затвора: нижний слой - поликремний (поли-Si, или Si^*) верхний - низкоомный слой силицида или слой чистого металла с соответствующей работой выхода.

Постоянство работы выхода поликремния достигается его легированием до уровня предельной растворимости примеси, что позволяет также минимизировать толщину области обеднения носителями на границе поли-Si/SiO₂ в режиме сильной инверсии, наличие которой эквивалентно увеличению эффективной толщины подзатворного диэлектрика. Использование затворов n⁺ и p⁺ - типов позволяет получать КМДП - приборы с малыми и симметричными пороговыми напряжениями.

Однако при масштабировании МДПТ использование поли-Si-затвора, p⁺-типа ограничено из-за проникновения бора из затвора в подзатворный окисел и в область канала, вследствие чего происходит обеднение затвора носителями, снижается надежность окисла и увеличиваются сдвиг и дисперсия порогового напряжения.

Как правило, при выборе метода предотвращения действия этого эффекта необходимо принимать компромиссное решение. Проблема выбора усложняется, т.к., с одной стороны, уменьшение толщины подзатворного окисла увеличивает вероятность проникновения бора в область канала, с другой - снижение термического бюджета, обусловленное необходимостью уменьшения глубины залегания сток - истоковых pn-переходов и сохранения распределения примеси в области канала, приводит к повышению роли обеднения затвора носителями.

При уменьшении проектных норм МДПТ в субмикронную область сопротивление поликремниевого затвора (R_g) начинает определять время задержки переключения из-за роста компоненты задержки, обусловленного емкостью затвора C_ox.

Обычный метод уменьшения сопротивления поликремниевого затвора - формирование на его поверхности слоя силицида тугоплавкого металла. В этом случае, когда силицид формируют одновременно и самосовмещенно на затворе и

сток-истоковых областях, структуру затвора называют салицидной (salicide:self – ligned silicide). Когда же слой силицида формируется на поликремнии до фотолитографии областей затвора, структуру затвора называют полицидной (polycide). Упомянутые структуры затвора МДПТ представлены на рис.3.54. Принято считать, что при масштабировании МДПТ задержка переключения емкости затвора (R_gC_ox) не должна приводить к увеличению времени задержки переключения КМДП инвертора более, чем на 20%.

При использовании салицидного затвора следует учитывать необходимость уменьшения толщины слоя силицида на поликремнии для предотвращения деградации сток - истоковых pn-переходов при снижении их глубины залегания (x_j). Обусловленное этим фактором увеличение поверхностного сопротивления затвора ограничивает применение салицидной структуры для МОПТ с длиной затвора менее 0,15 мкм. При дальнейшем масштабировании МОПТ в качестве затворной структуры может использоваться полицид. Толщина слоя силицида в полицидной структуре не ограничивается глубиной залегания сток - истоковых pn-переходов.

Рис. 3.54. Структура поликремниевых, салицидных

и полицидных затворов

Используют два метода формирования полицидных затворов. В первом - слой силицида поверх поликремния образуется в результате термического взаимодействия тугоплавкого металла и поликремния. К недостаткам этой структуры затвора относят возможность интенсивного перераспределения легирующей примеси из поли-Si в слой силицида, быстрой латеральной диффузии примеси в силициде, приводящей к частичной компенсации проводимости в затворе близлежащего комплементарного транзистора. Помимо повышения контактного сопротивления в структуре затвора, это может привести к увеличению степени обеднения затвора носителями в режиме сильной инверсии.

Полицидная структура другого типа формируется с использованием магнетронного распыления силицида или газофазным осаждением слоя силицида на поликремний, причем для исключения взаимодействия силицида и поли-Si между ними встраивается барьерный слой из нитрида тугоплавкого металла. Полицидная структура затвора может быть реализована и без барьерного слоя, но в этом случае необходимо существенно ограничить термический бюджет процессов изготовления КМДП - приборов. Для исключения этих недостатков, а также для снижения поверхностного сопротивления затворов в глубокосубмикронных МДПТ, используют затворы на основе двухслойной структуры поликремния и металла (обычно нитрида тугоплавкого металла).

По мере масштабирования МДПТ, когда физическая толщина подзатворного окисла (T_ox) достигает значений менее 3 нм, в качестве материала затвора используют металлы с соответствующей работой выхода. Основным аргументом в пользу применения металлического затвора является необходимость снижения тока затвора при T_ox< 3 нм, что обеспечивается использованием альтернативных подзатворных диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью, не совместимых со слоями поликремния.

Силициды тугоплавких металлов - обязательный элемент структуры субмикронных МДПТ. Их использование обусловлено необходимостью значительного снижения сопротивления затвора, паразитных сопротивлений сток-истоковых областей и контактов к ним.

Силициды TaSi₂, MoSi₂, WSi₂, формируемые на поли-Si методом сораспыления, характеризуются высокой термостабильностью и относительно высоким удельным сопротивлением (70—100)·10⁶ Ом·см). Силициды металлов, используемые в салицидном процессе изготовления КМДП - приборов, - TiSi₂, CoSi₂, NiSi, PtSi - создаются в результате термического взаимодействия слоя металла с кремнием. Они имеют низкое удельное сопротивление и более низкую термическую стабильностью.

Наиболее широко при изготовлении субмикронных КМДП - приборов применяется силицид титана (TiSi₂). Для 0,25- и суб-0,25-микронных приборов в основном используется силицид кобальта (CoSi₂). Силицид никеля (NiSi) детально изучен, однако, широкого использования при изготовлении глубокосубмикронных приборов до настоящего времени он не получил. Последовательность операций формирования силицида на затворе и сток - истоковых областях в типовом силицидном процессе приведена на рис. 3.55 /8/.

Слой металла (Ti или Co) наносят на поверхность пластин после формирования поли-Si-затворов, спейсеров и сток - истоковых областей. Затем структуру подвергают низкотемпературному отжигу в среде азота. Во время отжига участки слон металла, контактирующие с поли- и моно-Si, при термическом взаимодействии селективно преобразуются в высокоомную фазу силицида, а на его поверхности образуется тонкий слой TiN. Участки слоя металла, расположенные на диэлектрике, удаляют в растворах H₂O₂+NH₄OH или H₂O₂+H₂SO₄. Затем пластины повторно подвергают отжигу при более высокой температуре, во время которою происходит образование низкоомной фазы силицида. Сверху диапазон температур второго отжига ограничен температурой начала агломерации поликристаллической структуры силицида (увеличение микрорельефа и нарушение сплошности слоя силицида). Процесс агломерации приводит к возрастанию ρ_s слоя силицида. Он усиливается при уменьшении толщины силицида и ширины поликремниевой дорожки, на которой формируется силицид.

Рис. 3.55. Последовательность операций самосовмещенного формирования силицида на затворе

и сток - истоковых областях

Трудности увеличения сопротивления силицида при уменьшении проектных норм МОПТ в большей степени относятся к силициду титана. При использовании силицидов кобальта и никеля эта проблема нивелируется благодаря характерному для них механизму силицидообразования (высокоомной фазы), в результате которого толщина слоя силицида по периметру больше, чем в центре топологического элемента. Вследствие этого при уменьшении ширины элемента ρ_s слоя силицида Co и Ni не возрастает, а иногда даже уменьшается.

Для силицида Pt также наблюдается независимость ρ_s от ширины области силицидизации вплоть до 0,1 мкм. Однако использование PtSi при изготовлении МОПТ с мелкими сток - истоковыми областями приводит к увеличению тока утечки pn-переходов. Для предотвращения роста тока утечки толщину слоя Pt необходимо снижать до величины, при которой поверхностное сопротивление силицида платины возрастает до 20 Ом/, а это недопустимо для глубокосубмикронных приборов.

Кроме особенностей формирования силицидных затворов, обусловленных агломерацией и неполным фазовым превращением силицида, необходимо учитывать ряд других проблем /8/.

Основным ограничением применения салицидной самосовмещенной технологии формирования силицидов на затворе и сток - истоковых областях является недостаточная термическая стабильность и невозможность снижения поверхностного сопротивления при уменьшении топологических размеров. Вследствие особенностей термического взаимодействия тугоплавких металлов с поликремнием при использовании салицидной технологии возможно снижении надежности подзатворного окисла и увеличения тока утечки pn-переходов.

Ситуация осложняется при масштабировании МДПТ, когда наряду с уменьшением топологических размеров элементов снижается толщина поликремния глубина залегания pn-переходов. Это не позволяет увеличивать толщину слоя силицида, необходимую для снижения относительной доли задержки сигнала по цепи затвора в общем времени задержки KМДП – вентиля. Дальнейшее масштабирование МДПТ возможно при раздельном формировании силицида на поликремниевом затворе (полициде) и на контактах к сток - истоковым областям. При увеличении толщины слоя силицида в среднем до 1000 Å поверхностное сопротивление полицидного затвора снижается до 10 и 1,9 Ом/ при использовании WSi_x и TiSi₂, соответственно.

Применение полицидной структуры затвора усложняет технологию изготовления КМДП - приборов, так как вводятся дополнительные операции: легирование поли-Si, нанесение барьерного слоя перед осаждением или нанесением силицида, анизотропное травление трехслойной полицидной структуры, осаждение и РИТ спейсеров, защищающих боковые поверхности полицида от воздействия окисляющей среды при последующих термических операциях.

Применение полицида в КМДП приборах с затворами двух типов проводимости может быть ограничено при определенной топологической конфигурации транзисторов, вследствие исключительно больших коэффициентов диффузии примеси в силициде. В большинстве случаев в топологии СБИС используют комплементарные транзисторы с приблизительно одинаковой площадью полицидных затворов. Результаты расчета L_min для соотношения площадей затворов P-MДПT и N-МДПТ, равного 2:1, минимальное расстояние между приборами, соответствующее величине сдвига порогового напряжения 100 мВ, снизилось до нескольких микрон. В случае полицидов WSi₂ и CoSi₂ при диффузии As в затвор P-MДПT минимальное расстояние между приборами (L_min) остается относительно большим, если отжиг осуществляется в печи при температуре более 900°С. При температуре 800ºС расстояние L_min снижается до 2 мкм при длительности отжига 60 мин для CoSi₂ и 45 мин для WSi₂.

При соотношении площадей затворов Р- и N-МДПТ как 2:1 минимальное расстояние между транзисторами обеспечивается использованием полицидов на основе TiSi₂ и CoSi₂. В случае TiSi₂ - из-за высокого коэффициента сегрегации бора на границе поликремний/силицид, в случае CoSi₂ - из-за меньшего значения коэффициента диффузии бора и мышьяка в сравнении с WSi₂ и TiSi₂. В связи с относительно низкой энергией активации диффузии примесей в силициде применение быстрого отжига после формирования полицида может обеспечить снижение протяженности латеральной диффузии. Показано, что при использовании быстрого отжига при температуре 1000°С (≤30 с) минимальное расстояние между транзисторами не превышает 1 мкм. Такое же значение L_min обеспечивается при отжиге при температуре 900°С (несколько минут) и 800°С (20 мин). Ограничения термического бюджета, обусловленные латеральной диффузией примесей в полициде, необходимо учитывать при выборе режимов планаризации рельефа методом оплавления БФСС и легирования сток – истоковых областей примесями, предварительно имплантированными в слой силицида.

Полиметаллические затворы. Чтобы уменьшить RC-задержку сигнала по цепи затвора субмикронных КМДП - приборов, используют низкоомные полиметаллические затворы. Более всего требованиям по электрофизическим параметрам, термической стабильности и совместимости со стандартными технологическими процессами отвечают полиметаллические затворы со структурой W/барьерный слой/поли-Si (рис. 3.56, а). Для формирования полиметаллических затворов предлагается использовать также структуры TiN/поли-Si и TiN/RSi/ поли-Si (рис. 3.56, б) /8/.

Барьерный слой полиметаллического затвора должен исключать взаимодействие W и поли-S, результатом которого является образование WSi₂, имеющего высокое удельное сопротивление. Кроме того, к материалу барьерного слоя предъявляются требования по термостабильности, устойчивости к воздействию окисляющей среды и низкому контактному сопротивлению.

Полиметаллические затворы TiN/поли-Si и TiN /TiSi₂/поли-Si уступают затворам со структурой W/барьерный слой/поли-Si по основным параметрам - величине удельного и контактного сопротивления. Удельное сопротивление TiN (45·10⁶ Ом·см) значительно выше, чем у W. Контактное сопротивление в структуре TiN/поли-Si на 2-3 порядка выше, чем в структурах с использованием W. Для уменьшения контактного сопротивления в структуре TiN/поли-Si вводят промежуточный слой TiSi₂ толщиной 5-10 нм, в результате чего ρ_c снижается до 1,3·10^-6 Ом·см², в то время как у затворов W/WN/поли-Si контактное сопротивление равно 1·10^-7 Ом·см².

Рис. 3.56. Структура затвора W/WN/поли-Si (а) и TiN/TiSi₂/поли-Si (b)

К недостаткам слоев W следует отнести низкую температуру взаимодействия с кислородом (~350°С), что не позволяет отжигать дефекты подзатворного окисла возникающие при плазменном травлении затворных областей. Данная операция должна проводиться в окисляющей среде. Применение полиметаллических затворов W/ барьерный слой/поли-Si стало возможным благодаря методу селективного окисления кремния во влажном водороде, который обеспечивает как отжиг дефектов подзатворного окисла, так и исключение окисления вольфрама.

Поликристаллические Si_xGe_1-x-затворы. Использование поликремниевого затвора p⁺-типа для МДПТ с индуцированным иным каналом при масштабировании ограничивается эффектом обеднения затвора носителями в режиме сильной инверсии и проникновением бора в область канала. Применение для глубокосубмикронных КМДП приборов поликремниевых затворов только одного n⁺-типа приводит к необходимости формированию относительно сильнолегированного встроенного канала Р-МДПТ малой толщины (10-30 нм), что значительно усложняет технологический процесс. При параметрах встроенного канала, практически достижимых в стандартной технологии изготовления КМДП - приборов, крутизна, короткоканальные и подпороговые характеристики Р-МДПТ с n⁺-затвором значительно уступают соответствующим характеристикам p⁺-затвором.

Альтернативное направление в технологии формирования затворов КМДП - приборов основано на использовании слоев поли- Si_xGe_1-x, работа выхода которого регулируется изменением молярного содержания германия. Исследования показали, что с ростом молярной доли германия уменьшается ширина запрещенной зоны Si_xGe_1-x за счет, главным образом, изменения положения края валентной зоны. Поэтому при замене поли-Si затвора МДПТ затвором из поли- Si_xGe_1-x изменение разности работ выхода затвора и кремния для данного значения x определяется разностью значений ширины запрещенной зоны сильнолегированных поли-Si и Si_xGe_1-x. Увеличение работы выхода приводит к возрастанию порогового напряжения Р-МДПТ с затвором p⁺-поли-SiGe (при однородном легировании подложки).

Наряду с улучшением характеристик Р-МОПТ с p⁺-затвором, при содержании германия в SiGe в диапазоне 20-30% электрические характеристики N-МОПТ с n⁺-затвором изменяются незначительно. Положительным свойством SiGe -затвора p⁺- типа является также значительное снижение степени проникновения бора в область канала и повышение надежности подзатворного окисла. Таким образом, использование поли- SiGe для формирования затворов с проводимостью n⁺- и p⁺-типа улучшает подпороговые и короткоканальные характеристики глубокосубмикронных МОПТ.

Металлические затворы. При масштабировании МОПТ в суб-0,1-микронную область потребность в увеличении быстродействия приборов приводит к необходимости формирования затворов с использованием металлических слоев с соответствующей величиной работы выхода. Помимо низкого удельного сопротивления (10-15мкОм·см), применение металлического затвора обеспечивает исключение обеднения затвора носителями в режиме сильной инверсии (PDE-эффект), которое ограничивает возможность снижения толщины подзатворного окисла при использовании поликремниевых слоев в структуре затвора. Кроме того, в сочетании с металлическим затвором возможно применение подзатворных диэлектриков с повышенным значением диэлектрической проницаемости.

Однако в отличие от поли-Si затворов, работа выхода которых изменяется ионной имплантацией, управление работой выхода металлических затворов еще. не стало широко освоенной технологией. Поэтому при изготовлении КМДП - приборов в качестве затворов используются металлы или нитриды металлов, имеющих работу выхода с уровнем Ферми вблизи середины запрещенной зоны кремния Co (4,45 эВ), Cr (4,5 эВ), W (4,52 эВ), Ru (4,68 эВ), TiN (4,7 эВ), WN_x (4,6 эВ) /8/. В этом случае обеспечивается приблизительное равенство пороговых напряжений N- и Р-МДПТ, однако абсолютная величина V_t оказывается недопустимо высокой (на ~0,55 В) в сравнении с МДПТ с поли-Si затворами n⁺- и p⁺-типов. Для снижения порогового напряжения МДПТ с Midgap-затвором необходимо использовать скрытый канал с тщательно оптимизированными параметрами структуры для улучшения короткоканальных характеристик.

Другое направление технологии изготовления КМДП - приборов с металлическими затворами основано на использовании для затворов N- и Р-МОПТ металлов, имеющих максимально возможную разницу в величине работы выходке например: для N-MДПТ - Ta (4,19 эВ), TaN (4,05 эВ), Ti (4,14 эВ), Al (4,13 эВ), Hf (3,9 эВ); Nb (4,15 эВ), Mo (4,45 эВ); а для Р-МДПТ - WN (5,0 эВ), Mo₂N (5,3 эВ),Ir (5,35 эВ), Pt (5,65 эВ).

В идеальном случае уровень Ферми металлических затворов должен располагаться вблизи края зоны проводимости (E_c= 4,17 эВ) для N-МДПТ и вблизи края валентной зоны (E_v= 5,25 эВ) для Р-МДПТ. Конечно, желательно и технологиически проще использовать в качестве затворов слои чистых металлов и их нитридов. Однако работа выхода нитридов TaN, TiN, W₂N отличается от работы выхода чистых металлов менее чем на 0,4 эВ, что не обеспечивает оптимальные характеристики КМДП - приборов. Поэтому для затворов Р-МДПТ рекомендуется использовать благородные металлы (Ir, Pt), которые, правда, трудно поддаются плазменному травлению. Обнаружено, что слой Mo может иметь работу выхода вблизи E_v при определенных условиях нанесения и отжига.

Использование различных металлов для затворов МДПТ усложняет технологию из-за увеличения числа процессов нанесения и плазменного травления металлических слоев, воздействующих на характеристики подзатворного окисла и границу Si/SiO₂.

Выбор материала для металлического затвора, помимо величины работы выхода и удельного сопротивления, осуществляется с учетом следующих требований: термическая стабильность кристаллической структуры металла; отсутствие воздействия условий нанесения металла на характеристики подзатворного слоя;

высокая адгезия и термическая стабильность границы раздела металл/диэлектрик;

возможность травления металлического слоя с высокой селективностью к диэлектрику и без отрицательного влияния на его характеристики и, наконец, низкая проникающая способность атомов металла в подзатворный диэлектрик.

На рис. 3.57 представлен маршрут изготовления N-МДПТ, в котором создание металлического затвора осуществляется после формирования сток - истоковых областей.

Рис. 3.57. Этапы формирования металлического затвора с использованием удаляемого поликремниевого затвора:

а) осаждение SiO₂ и химико-механическая планаризация;

b) удаление поли-Si-затвора в жидкостном травителе;

с) формирование подзатворного окисла, нанесение TiN и W, фотолитография и травление затвора