12.6. Подзатворный диэлектрик

Подзатворный диэлектрик – самый тонкий слой транзисторной структуры. Толщина диэлектрика уменьшается в соответствии с принципом пропорциональной миниатюризации. Технически возможно формирование окисных слоев толщиной 1,5 нм. Однако практически допустимая минимальная толщина термического окисла составляет около 3,5 нм. Ниже этого предела плотность дефектов окисла возрастает до 1,0 см^-2 и более. Окисел тоньше 3,5 нм получают в комбинированном процессе: окисление, осаждение, термическое уплотнение. В комбинированном процессе дефекты в подложке не влияют на дефектность окисла. Минимальная физическая толщина комбинированного окисла – 1,6 нм. При этом эффективная толщина окисла составит 2,3 нм. Увеличение эффективной толщины окисла происходит за счет влияния обеднения носителями поликремниевого затвора и квантовомеханического эффекта распределения носителей в канале МОП - транзистора. Для эффективной толщины окисла 2,3 нм плотность туннельного тока затвора не превышает 0,5 мкА/см². Дальнейшее уменьшение толщины окисла приводит к экспоненциальному росту туннельного тока затвора. Эффективная длина затвора для окисла 1,6 нм должна быть не менее 60 нм, а физическая длина не менее – 100 нм.

Дальнейшее развитие КМОП - технологии связано с применением подзатворных диэлектриков с более высоким, чем у окисла кремния, значением диэлектрической проницаемости. Это позволяет еще уменьшить длину канала без уменьшения физической толщины диэлектрика и увеличения туннельных токов. Наиболее изученным является композитный слой SiO₂ – Si₃N₄. Тонкий термический слой SiO₂ создает качественную границу с кремнием, слой Si₃N₄, осажденный при низком давлении, снижает дефектность, туннельные токи и коэффициент диффузии бора. Диэлектрическая проницаемость нитрида кремния ( = 7,8) позволяет при толщине композитного слоя 2 нм получить лучшие характеристики МОП - транзисторов, чем с окислом 1,6 нм. Проводятся исследования по применению других диэлектриков с большой величиной диэлектрической проницаемости.

Еще одна проблема ограничивает применение тонких окисных слоев – это достаточно высокий коэффициент диффузии бора в окисле кремния. Применение окисных слоев толщиной менее 5 нм сопровождается проникновением примеси бора из поликремния затвора сквозь диэлектрик в канал PМОП - транзистора. Диффузия бора происходит в процессе отжига дефектов и активации примеси после имплантации. Проникновение бора в канал PМОП - транзистора приводит к неконтролируемому изменению порогового напряжения и росту подпороговых токов. Снижение коэффициента диффузии бора обеспечивается нитрированием тонких окисных слоев. Термообработка слоев SiO₂ в атмосфере NH₃, N₂O или NO приводит к превращению окисного слоя в оксинитридный. Физическая толщина диэлектрика при этом возрастает на 12 нм, а эффективная – на величину менее 1 нм за счет увеличения диэлектрической проницаемости.

12.7. Затворы субмикронных моп - транзисторов

Обычно при изготовлении субмикронных МОП - транзисторов используется двухслойная структура затвора: нижний слой – поликремний (Si*), верхний – низкоомный силицид тугоплавкого металла. Затворный слой должен обладать следующими свойствами:

• не оказывать воздействия на параметры подзатворного диэлектрика;

• иметь однородную структуру;

• иметь достаточную концентрацию легирующей примеси и не обедняться электрическим полем в диэлектрике;

• иметь низкое слоевое сопротивление;

Одновременному выполнению всех этих требований мешают физические процессы, протекающие одновременно с технологическими процессами формирования структуры микросхемы.

Размер зерен пленки поликремния должен быть значительно меньше длины затвора. В этом случае суммарная площадь межзеренных границ будет достаточной для равномерной ускоренной диффузии легирующей примеси по всему объему пленки. Если зерна сравнимы по размерам с длиной затвора, то на границе с окислом концентрация легирующей примеси будет существенно неоднородной. Примесь, сконцентрировавшись на границах зерен, будет создавать локальные неоднородности параметров транзисторной МОП - структуры. Рассогласование пороговых напряжений соседних одинаковых МОП - транзисторов обусловлено неоднородностью фронта легирования слоя затворного поликремния. Выравнивание концентрации в поликремнии потребует увеличения времени термообработки, что тоже плохо из-за неравномерной диффузии примеси в подзатворный окисел. Особые трудности представляет диффузия бора сквозь окислы толщиной менее 5 нм. Увеличение времени термообработки поликремния ведет к росту размера зерен и увеличению локальных механических напряжений на границе с диэлектриком. Механические напряжения провоцируют рост плотности дефектов в окисле.

Уменьшение размеров зерен поликремния в затворе достигается снижением температуры осаждения пленки (530С) и времени кристаллизации (680С, 10 мин).

Обеднение поликремния затвора носителями возникает, когда концентрация ионизованной примеси на границе с окислом становится ниже уровня вырождения кремния (510¹⁹ см^-2). Примесь выпадает из твердого раствора и концентрируется на границах зерен при низкотемпературных режимах обработки пластин. Эффективная толщина окисла при этом увеличивается, управляющая емкость затвора и ток стока снижаются, а пороговое напряжение МОП - транзистора растет. Частично подавить эффект обеднения удается путем повторного легирования поликремния после первой термообработки. Обеднение кремния сильнее проявляется в PМОП - транзисторах, так как предельная растворимость мышьяка в кремнии значительно больше, чем бора. Выше и остаточная концентрация мышьяка после дезактивации части примеси.

Борьба с диффузией бора в подзатворном окисле ведется двумя путями: нитрированием подзатворного окисла и легированием азотом подзатворного поликремния. Нитрирование окисла ведется при высоких температурах и снижает возможности последующих термообработок. Имплантация ионов азота в поликремний ведется с энергией 1020 кэВ. Максимум распределения располагается вблизи поверхности, чтобы не создавать дефектов в подзатворном окисле. Доза имплантации азота – 58 10¹⁵ см^-3. Если доза имплантации бора больше дозы азота, то наличие азота в поликремнии слабо влияет на обеднение границы поликремния с окислом. Тем не менее, азот значительно снижает коэффициент диффузии бора и предотвращает деградацию параметров PМОП - транзистора. Если доза бора меньше дозы азота, то эффект обеднения затвора становится значительным. Азот деактивирует атомы бора, вступая с ним в связь.