способ изготовления мдп-элемента памяти

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП-ЭЛЕМЕНТА ПАМЯТИ, включающий выращивание на кремниевой подложке туннельного тонкого слоя термического окисла, образующего изолирующий слой с последующим осаждением на него слоя нитрида кремния из газовой фазы в результате реакции силана и аммиака в реакторе пониженного давления, образующего запоминающий слой, и последующее нанесение проводящего электрода, отличающийся тем, что, с целью увеличения числа циклов переключения МДП-элемента памяти, осаждение слоя нитрида кремния проводят при отношении объемных расходов силана и аммиака в диапазоне 0,2 - 0,4 и парциальном давлении паров воды в диапазоне 50 - 200 млн^-1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано для изготовления электрически репрограммируемых элементов памяти с большим числом циклов переключения.

Целью изобретения является увеличение числа циклов переключения МДП-элемента памяти.

На фиг. 1 представлена структурная МДП-элемента памяти, содержащего полупроводниковую подложку 1, туннельно тонкий слой 2 термического окисла (изолирующий слой), слой 3 оксинитрида кремния, проводящий электрод 4; на фиг. 2 изображена зависимость показателя преломления ( = 6328 ) от соотношения = siH₄/NH₃, Т_с = 950^оС; на фиг. 3 - зависимость потенциала плоских зон от давления паров Н₂О при разных температурах синтеза (вверху - поляризация положительным импульсом, внизу - отрицательным импульсом, внизу - отрицательным, температура синтеза Т_с равна 800 (), 900 (o), 950^оС (); на фиг. 4 показано стекание заряда при комнатной температуре в закороченном состоянии; вверху - электроны, внизу - дырки, o - образец, близкий по составу к стехиометрическому Si₃N₄ при = SiH₄/NH₃ = 1: 20, толщина Si₃ N₄ - dN = 55 нм, o - SiN_xO_y, SiH₄/NH₃ = 1: 3, СН₂О = 100 ррм, толщина оксинитрида d_ON= 55 нм, 5,5" - исходные образцы, 6,6" - после переполяризации 10⁶ циклов, положительные значения V_FBсоответствуют захваченным в диэлектрике электронам, отрицательные - дыркам; на фиг. 5 показана зависимость скорости изменения напряжения плоских зон V_FB от величины , кривая 7 - C = 100 ррм, кривая 8 - C = 300 ррм.

Обогащение нитрида кремнием приводит к увеличению петли гистерезиса, однако за счет уменьшения энергии ловушек, увеличения проводимости резко растет скорость стекания заряда. Для увеличения времени хранения информации (уменьшения скорости стекания заряда) в состав нитрида вводят водород в виде Si-H и N-H-связей. Однако введение водорода приводит к уменьшению числа циклов перепрограммирования - возрастанию деградации. Введение кислорода в состав нитрида подобно водороду приводит к увеличению энергии ловушек, уменьшению проводимости оксинитрида, однако при этом падает ширина петли гистеризиса. В настоящее время изучено строение свойства оксинитрида, содержащего Si-H и Si-O-связи, структурная единица такого оксинитрида имеет вид SNO_4-, = 0, 1, 2, 3, 4. В таком оксинитриде кроме Si-N и Si-O-связей имеются Si-Si= и Si-H. . . Si-O-связи.

Информацию о составе нитридных слоев несет показатель премломления n. Для стехиометрического Si₃N₄ n близко к двум (при = 6328 ). Обогащение нитрида избыточным кремнием приводит к возрастанию n. Рост концентрации Si-О-связей в Si N_xO_y сопровождается уменьшением n.

П р и м е р. Сначала (фиг. 1) на кремниевой подложке 1 выращивают туннельно тонкий слой 2 диоксида кремния SiO₂ толщиной 2 нм термическим окислением в смеси сухого кислорода и азота в течение 10 мин при 850^оС, затем осаждают слой 3 SiN_xO_y толщиной порядка 50 нм. После этого наносят Al-электрод 4 толщиной 0,5-1 мкм магнетронным распылением с последующей термообработкой при температуре 470^оС в азоте в течение 30 мин. Слои SiN_xO_y синтезируют из смеси SiH₄ + NH₃ + H₂O, при этом используют смесь силана с водородом, объемная концентрация SiH₄составляет 0,2% . Объемная концентрация аммиака в водороде составляет 60% . Соотношение SiH₄/NH₃ изменяют с помощью варьирования скорости потоков. В качестве газа используют водород.

Увеличение парциального давления паров Н₂О при фиксированном отношении SiH₄/NH₃ сопровождается уменьшением показателя преломления (фиг. 2), что свидетельствует об обогащении SiN_xO_y кислородом, т. е. об увеличении числа Si-O-связей. С увеличением соотношения SiH₄/NH₃, когда смесь объединяется аммиаком, вероятность образования Si-N-связей падает, при этом возрастает вероятность образования Si-N- или Si-O-связей.

При относительно малых давлениях Н₂О (< 50 ррм) показатель преломления растет с увеличением соотношения SiH₄/NH₃, что свидетельствует об обогащении SiN_xO_y кремнием, т. е. Si-Si-связями.

При больших соотношениях = SiH₄/NH₃ ( 0,5) показатель преломления падает при обеднении смеси аммиаком, что указывает на существенное возрастание вероятности образования Si-O-связей по сравнению с Si-Si-связями. При давлениях Н₂О 500 ррм зависимость показателя преломления от соотношения SiH₄/NH₃ является немонотонной. Полученные данные свидетельствуют о том, что относительная доля Si-N-, Si-O- и Si-Si-связей зависит от парциальных давлений кремний-, азот- и кислородсодержащих газов.

Запоминающие свойства оксинитрида зависят не только от соотношений газовых потоков, но и от температуры синтеза.

На фиг. 3 приведена зависимость потенциала плоских зон при поляризации положительными (верхнее семейство) и отрицательными (нижнее семейство) импульсами в зависимости от парциального давления паров Н₂О. Амплитуда поляризующего импульса соответствует полю в оксинитриде 5 10⁶В/см, длительность импульса 10 мс.

Величина потенциала плоских зон в первом приближении пропорциональна концентрации заполненных ловушек. При давлениях Н₂О больших 200 ррм, величина накопленного заряда возрастает с уменьшением температуры синтеза. При малых давлениях, меньших 50 ррм, зависимость накопленного заряда от температуры синтеза более сложная, что приводит к неоднородности параметров по пластине. Поэтому вне диапазона 50-200 ррм наблюдается большой разброс параметров по пластине, в том числе и циклов переключения.

На фиг. 4 приведена зависимость потенциала плоских зон МНОП-структур с нитридом, выращенным без добавки Н₂О при SiH₄/NH₃ = 1: 20, и структуры с оксинитридом, выращенным при соотношении SiH₄/NH₃ = 1: 3 при давлении Н₂О 100 ррм. Введение избыточного кремния и кислорода приводит, во-первых, к уменьшению скорости стекания заряда, особенно заметному для дырок, и, во-вторых, к существенному ослаблению влияния переполяризации на скорость стекания заряда. Кривые (5 и 5") соответствуют стеканию отрицательного и положительного зарядов в исходных образцах. Кривые 6 и 6" измерены после переполяризации образцов знакопеременными импульсами длительностью 10 с амплитудой, соответствующей среднему полю 5,1 10⁶ В/см.

Увеличение скорости стекания заряда после многократных циклов переполяризации нитрида связано с разрывом Si-H. . . Si- или N-H-связей при локализации носителей на ловушке. Содержание водорода в нитриде уменьшается при увеличении температуры синтеза, поэтому экспериментальные данные (фиг. 4), получены на структурах, синтезированных при повышенной температуре 950^оС. Разрыв Si-H- и N-H-связей возможен, поскольку атом водорода координирован одним атомом. В SiN_xO_y вместо водорода вводится кислород. Атом кислорода в SiN_xO_y так же, как в SiO₂, координирован двумя атомами Si. Энергия разрыва Si-O-связи больше энергии разрыва Si-H- и Si-O-связей.

Результаты на фиг. 5 показывают, что скорость стекания заряда, определяемая по скорости уменьшения со временем t напряжения плоских зон V_FB, немонотонно зависит от величины . Измерения проводились после 106 циклов переключений. Кривая 7 соответствует концентрации С= 100 ррм, а кривая 8 - концентрации С = 300 ррм. Из этих результатов следует, что диапазон , в котором величины _oV_FB/_olgt минимальны, соответствует 0,2 0,4. (56) Авторское свидетельство СССР N 1397970, кл. G 11 C 11/40, 1986.

Нитрид кремния в электронике. Новосибирск: Наука, 1982, с. 33. 170-177.