способ увеличения радиационной стойкости элементов кмоп-схем на кни подложке

Формула изобретения

Способ увеличения радиационной стойкости элементов КМОП-схем на КНИ подложке, включающий создание на КНИ подложке рабочих и изолирующих областей схемы, легирование рабочих областей кремния путем ионной имплантации бора, имплантацию ионами фтора границы кремний - скрытый окисел дозой от 10¹² до 10¹⁴ ион/см², химическую очистку поверхности, формирование подзатворного диэлектрика, формирование затворов, легирование и отжиг сток-истоковых областей и формирование металлизации.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение может найти применение при создании радиационно стойких элементов комплементарных схем по МОП (металл-окисел-полупроводник) технологии на структуре «кремний на изоляторе» (КНИ) при производстве приборов для военных и гражданских целей, преимущественно в атомной и аэрокосмической промышленности.

Известен способ увеличения радиационной стойкости nМОП КНИ транзистора путем подачи отрицательного напряжения на изолированную подложку (1). Но этот метод связан с дополнительными схемотехническими трудностями.

Известен способ повышения устойчивости работы транзистора к горячим электронам за счет легирования F подзатворного окисла МОП-структур (2). К отрицательным эффектам легирования фтором можно отнести ускоренную диффузию атомов бора через подзатворный окисел, что приводит к росту порогового напряжения транзистора и уменьшению пробивного напряжения.

В патенте США фторированный скрытый оксид с концентрацией фтора 10¹⁹-10 ²² см^-3 используют для предотвращения появления токов утечки и подавления (drain-induced barrier lowering) DIBL эффекта (3). Недостатком способа является большая доза фтора, которая должна быть введена в скрытый оксид для получения заметного эффекта. При этом происходит повреждение верхнего активного слоя кремния, которое не восстанавливается после термических отжигов.

За прототип принят нами патент США №5795813 (4), в котором изложен способ увеличения радиационной стойкости структур кремний на изоляторе (КНИ) путем легирования скрытого оксида ионами из следующей группы элементов - Al, As, В, N, Ge и Si. Легирование проводят таким образом, чтобы максимум концентрации в окисле находился ближе к границе верхний слой кремния - скрытый окисел. Для уменьшения радиационных повреждений активного слоя кремния, полученных в процессе ионной имплантации, проводится термический отжиг при температуре 800-1100°С. В результате приборы на подложках с легированным скрытым окислом имеют радиационную стойкость 50-100 крад. При легировании скрытого оксида через слой активного кремния происходит изменение физических свойств Si (подвижность, проводимость, концентрация носителей), что отрицательно влияет на работу транзисторов.

Целью изобретения является повышение надежности КМОП-схем на КНИ подложке и упрощение их производства.

При решении указанной технической задачи достигаются следующие технические результаты:

увеличение радиационной стойкости к накопленной дозе ионизирующего излучения элементов КМОП-схем на КНИ подложках за счет снижения нейтральных ловушек в скрытом окисле и подзатворном окисле и упрощение производства из-за совмещения производственных операций и отжига, необходимого для активации примеси фтора.

Для этого границу раздела кремния и скрытого окисла легируют ионами фтора. При этом происходит замена более слабых связей Si-H, Si-О, Si-OH на более сильную связь с фтором, а также разрыв напряженных связей Si-О-Si и формирование Si-F и Si=О, что дает возможность получить границу раздела с более стабильными свойствами. К тому же фтор, попадающий в кремний при ионной имплантации, во время термического окисления для формирования подзатворного SiO₂ диффундирует к границе кремний - подзатворный окисел, что тоже приводит к увеличению стойкости подзатворного окисла.

В данном изобретении проводят легирование фтором через рабочий слой кремния границы раздела кремний - скрытый окисел с энергией, которая обеспечивает максимум концентрации в нижней части рабочего слоя кремния. Энергия имплантации ионнов фтора выбирается в зависимости от толщины рабочего слоя кремния, например при толщине Si=0,15 мкм Е=80 КэВ. В то же время выбирается оптимальная доза легирования (10¹² -10¹⁴ ион/см²), достаточная для компенсации поверхностных уровней на границе и создающая минимум повреждений кремния.

Реализация всех преимуществ КНИ МОП-транзистора (уменьшение паразитных емкостей, значительное увеличение стойкости к случайным единичным отказам) заключается в конструкции, в которой стоко-истоковые области достигают скрытого окисла. Конструктивной особенностью такого МОП является наличие паразитного транзистора, у которого в качестве подзатворного диэлектрика служит скрытый окисел, затвором является изолированная подложка. Снижение влияния паразитного транзистора на активный достигается созданием максимальной концентрации акцепторной примеси на границе раздела кремний - скрытый окисел.

Как известно, причиной изменения параметров МОП-транзисторов под действием ИИ (ионизирующего излучения) являются процессы, происходящие в подзатворном окисле и на границе раздела Si/SiO ₂. При облучении в окисле происходит генерация электронно-дырочных пар и их первичная рекомбинация. Электроны, имеющие намного более высокую подвижность, чем дырки, за короткие временные промежутки стекают в затвор или кремниевую подложку. Дырки при переносе через окисел захватываются на ловушках. Таким образом, в подзатворном SiO₂ происходит накопление положительного заряда. При этом на границе раздела Si/SiO₂ возникают дополнительные уровни поверхностных состояний. В nМОП-транзисторе они приводят к накоплению отрицательного заряда, в рМОП-транзистре положительного.

Накопление заряда под действием излучения зависит и от направления электрического поля в окисле. Большинство отказов при воздействии ИИ на КМОП ИС обусловлено nМОП-транзистром. Это связано с особенностью КМОП схемотехники, при которой напряжение на затворе nМОП-транзистора положительно, а на рМОП - отрицательно относительно канала. Это приводит к тому, что дрейф дырок направлен к границе раздела Si/SiO₂ в nМОП-транзисторе и противоположен в рМОП. Это справедливо как для активных, так и для паразитных МОП-транзисторов. Поэтому при разработке радиационно стойких КМОП-технологий необходимо особое внимание уделять как паразитным nМОП-транзисторам, так и активным. Паразитные nМОП стараются по возможности или исключить (транзисторы с кольцевьми затворами), или максимально увеличить их пороговые напряжения (высоколегированные "охранные" области). Для активных же транзисторов особое внимание уделяют непосредственно технологии формирования подзатворного диэлектрика.

Известно, что присутствие атомов фтора в подзатворном окисле влияет на рабочие характеристики МОП-транзисторов. Это влияние зависит от типа транзистора. Происходит сдвиг порогового напряжения и изменение плотности поверхностных состояний. Отмечено увеличение стойкости подзатворного окисла к горячим электронам и воздействию радиации [5]-[8], снижение интегральной дефектности окисла [9], [10], уменьшение нестабильности порогового напряжения при отрицательном смещении в рМОП-транзисторе (negative bias threshold instability - NBTI-эффект), снижение фликерного шума в МОП-транзисторе. Во всех упомянутых выше работах фторирование подзатворного окисла проводилось диффузией фтора из поликремниевого затвора.

Пример реализации.

Для оценки влияния фторирования скрытого окисла на радиационную стойкость и рабочие параметры nМОП-транзистора были изготовлены тестовые образцы по следующему технологическому маршруту. В качестве КНИ подложек использовались подложки, изготовленные по технологии SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen). Исходная толщина рабочего слоя кремния составляла 0,2 мкм, толщина скрытого окисла 0,36 мкм. На первом этапе формировали изолирующие области и рабочие островки кремния (меза-области). После окисления на глубину 400 Å рабочей поверхности кремния выполнялась ионная имплантации бора для подгонки порогового напряжения и создания повышенной концентрации акцепторов на границе рабочий кремний - скрытый окисел. Далее для проведения оценки влияния фторирования на радиационную стойкость половина каждой пластины закрывалась фоторезистом для исключения попадания ионов фтора в nМОП структуру, после чего на второй половине пластины проводили имплантацию ионами фтора границы раздела кремний - скрытый окисел. Энергия ионов фтора составляла Е=80 кэВ, а доза D=6×10¹³ см^-2.

На следующем этапе после удаления тонкого окисла и химической очистки поверхности формировали подзатворный диэлектрик, для этого окисляли открытые участки кремния при температуре 900°С на толщину 18 нм в атмосфере О₂ . Затем осаждали Si* толщиной 0,4 мкм, поводили диффузию фосфора при температуре 900°С. Методами фотолитографии и плазменного травления формировали затворы. Затем легировали сток-истоковые области и проводили отжиг при температуре 850°С. Из газовой фазы осаждали SiO₂, вскрывали контактные окна к поликремниевым затворам и сток-истоковым областям. На последнем этапе формировали алюминиевую металлизацию.

Энергия имплантации F выбиралась таким образом, чтобы максимум концентрации приходился на границу раздела. Доза легирования (>10 ¹² ион/см²) выбиралась исходя из эффективной плотности дырочных ловушек в скрытом окисле N _ot=2.5·10¹² см ^-2 КНИ пластин, изготовленных SIMOX-методом. [11] При этом необходимо было учитывать, что, с одной стороны, слишком большие дозы фтора могут отрицательно сказываться на характеристиках МОП-транзистора, с другой стороны, значительная часть имплантированного фтора при дальнейших термообработках улетучивается в атмосферу. Так, в работе [4] при аналогичных температурных операциях отношение имплантированной дозы к измеренной составило 10%. Для активации примеси фтора (в отличии от прототипа) не требуется специальный отжиг, он происходит во время дальнейших высокотемпературных операций, таких как термическое окисление кремния для формирования подзатворного окисла, диффузия фосфора в затворном поликремнии и отжиг сток истоковых областей.

Для изучения влияния ионной имплантации фтора на активный транзистор проведены измерения ВАХ и экстракция параметров легированных и не легированных фтором транзисторов. Результаты измерений сведены в табл.1. Пороговое напряжение измерялось методом экстраполяции в точке максимальной крутизны зависимости тока стока от затворного напряжения. Коэффициент модуляции подвижности от затворного напряжения и плотность поверхностных состояний на границе скрытый окисел - рабочий кремний определялись из статических ВАХ по методам, изложенным в работе [12].

Таблица 1. Сравнительные характеристики параметров фторированных и не фторированных nМОП КНИ структур.
Тип транзистора	Параметр	nМОП с F		nМОП без F
		Среднее	Дисперсия	Среднее	Дисперсия
Активный транзистор	Пороговое напряжение, Vt, B	1.32	0.018	1.34	0.023
(W/L=13/1.2 мкм)	Подпороговый наклон, мВ/дек. тока	0.114	0.0007	0.119	0.020
	Коэффициент модуляции подвижности, 1/В	1.093	0.395	1.361	0.367
"Обратный" транзистор (W/L=13/13 мкм)	Пороговое напряжение, Vt, B	29.08	-	24.4	-
	Подпороговый наклон, В/дек. тока	2.6	-	2.22	-
	Плотность поверхностных состояний, см-2·эВ -1	1.57·1012	-	1.39·10 12	-

Исследования радиационной стойкости к ионизирующему излучению (ИИ) проводилось путем построения характеристик зависимости сдвига пороговых напряжений от накопленной дозы. Напряжения на электроде затвора транзистора при радиационном воздействии равнялось 3 В. Облучения проводились на рентгеновском источнике с мощностью дозы ИИ 200 рад/с в диапазоне до 1 Мрад. Дозовую зависимость в первом приближении можно описать соотношением

V_t= V_tm(1-e^aD),

где D - накопленная доза ИИ.

Для количественного сравнения количественного сравнения показателей стойкости на основании приведенной зависимости удобно ввести два параметра: чувствительность порогового напряжения при малых дозах = V_tma и предельный сдвиг порогового напряжения V_tm.

В ходе исследования выявлено, что радиационное поведение исследуемых транзисторов определяется преимущественно скрытым окислом. Предельный сдвиг порогового напряжения активного транзистора не зависит от наличия фтора и составляет в среднем не более 0.3 В, что свидетельствует о хорошей радиационной стойкости подзатворного окисла. Средние чувствительности порогового напряжения и средние значения предельного сдвига порогового напряжения "обратного" транзистора V_tm сведены в табл.2.

Как видно из табл.1, существенного изменения параметров активного nМОП-транзистора при введении легирования фтором не произошло. Незначительно уменьшилось пороговое напряжение (на 20 мВ) и наклон подпороговой характеристики. В тоже время существенно уменьшился коэффициент модуляции подвижности, что говорит о косвенном снижении поверхностных состояний и уменьшении рассеивания на границе раздела. То же самое подтверждается уменьшением наклона подпорогового характеристики. Значимого изменения крутизны при малых напряжениях смещения, а значит и подвижности, не произошло, что свидетельствует о том, что радиационные дефекты имплантации фтора полностью удалились при последующих термообработках.

Таблица 2. Сравнительные характеристики радиационной стойкости фторированных и не фторированных nМОП КНИ структур.
Тип транзистора	Параметр	с фтором	без фтора
"Обратный" транзистор	Среднее пороговое напряжение, В	29.08	24.4
	Средняя чувствительность порогового напряжения , В/крад	0.140	0.167
	Среднее значение предельного сдвига порогового напряжения, Vtm, B	28.2	28.5

Пороговое напряжение «обратного» транзистора, в отличие от активного, при фторировании изменилось существеннее, причем в противоположную сторону. Оно увеличилось в среднем на 4.5-5 В. Это указывает на общее уменьшение эффективного положительного заряда SIMOX-окисла, несмотря на то, что плотность поверхностных состояний на границе скрытый окисел - рабочий кремний, имеющих положительный заряд, возросла.

Данные табл.2 свидетельствуют об уменьшении чувствительность порогового напряжения у фторированного «обратного» транзистора. Несмотря на то, что значение предельного сдвига порогового напряжения в двух случаях примерно одинаковое, и в силу того, что пороговое напряжение у фторированного выше предельного сдвига, «обратный» транзистор, легированный фтором не открывается при сколь угодно больших дозах ИИ.

Таким образом, ионная имплантация фтора через рабочий слой окисла может использоваться для увеличения радиационной стойкости к ИИ КМОП ИС на КНИ подложках. Предложенный метод не ухудшает рабочие характеристики nМОП КНИ транзистора.

В результате проведенных исследований были получены действующие образцы КМОП схем, сохраняющие работоспособность при уровне радиационной нагрузки более 1 Мрад.

ЛИТЕРАТУРА

1. Никифоров А.Ю., Телец В.А, Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. Москва, Радио и связь, 1994.

2. Hook T.B., Adler E., "The Effects of Fluorine on Parametrics and Reliability in a 0,18 mk 3,5/6,8 nm Dual gate oxide CMOS Technology", IEEE Transaction on Electron Devices, vol.48, No.7, July 2001.

3. Патент США №6.249.026.

4. Патент США №5.795.813 (прототип).

5. E. da Silva, Y. Nishioka, Y. Wang, and T. Ma, "Dramatic improvement of hot-carrier-induced interface degradation in MOS structures containing F or Cl in SiO," IEEE Electron Device Lett., vol.9, pp.38-40, Jan. 1988.

6. T. Ma, "Metal-oxide-semiconductor gate oxide reliability and the role of fluorine," J. Vac. Sci. Technol. A, vol.10, no.4, pp.469-471, 1992.

7. P. Wright et al., "Hot-electron immunity of SiO ₂ dielectrics with fluorine in corporation," IEEE Electron Device Lett., vol.10, pp.347-348, Aug. 1989.

8. Wright P.J., Saraswat K.C., "The Effect of Fluorine in Silicon Dioxide Gate Dielectrics" IEEE Transaction on Electron Devices, vol.36, No.5, May 1989.

9. Тарасенков А.Н., Герасименко Н.Н., Кузнецов Е.В., Денисенко Э.Ю. // Изменение свойства подзатворного окисла при использовании ионов BF2+ при создании р-канальных транзисторов// Труды четвертой Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика-2002", М., МИЭТ, ноябрь 2002 г., с.52-53

10. Р. Chowdhury et al., "Improvement of ultra thin gate oxide and oxynitride integrity using fluorine implantation technique," Appl. Phys. Lett., vol.70, no.1, pp.37-39, 1997.

ll. S.T. Liu, W.C. Jenkins, and H.L. Hughes, Proceedings Of The Ninth International Symposium On Silicon-On-Insulator Technology And Devices, Electrochemical Society Proceeding Volume 99-3, pp.225-228.

12. D. Bauza and G. Ghibaudo, Microelectronics Journal, 25 (1994) 41-44.