СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЕВОГО КМОП ТРАНЗИСТОРА, СОЗДАННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ, И СТРУКТУРА ПОЛЕВОГО КМОП ТРАНЗИСТОРА
METHOD OF FIELD CMOS TRANSISTOR FORMATION USING DIELECTRICS BASED ON METAL OXIDES WITH HIGH INDUCTIVE CAPACITY RATE AND METAL GATES, AND STRUCTURE OF FIELD CMOS TRANSISTOR

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технологии изготовления КМОП-транзисторов, в частности к способам управления напряжением срабатывания полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов.
Известно изобретение «Полупроводниковые устройства и способ их производства» (Заявка № JP 2005079223, опубл. 2005-03-24), в котором изготовление полупроводникового устройства, содержащего подзатворный изолирующий слой с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и легированный затвор, изготовленный из Si или содержащий Si, а также промежуточный слой, который может предотвратить появление статического заряда на границе раздела слоя подзатворного изолятора и электрода затвора. МОП структура, изготовленная на полупроводниковой подложке, содержащей изолирующую пленку с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и предотвращающий реакции слой, образованный на поверхности изолирующей пленки, состоящий из слоя оксида или оксинитрида кремния. Изолирующий слой с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости формируется из одного из материалов, перечисленных ниже: HfSiO, HfSiON, HfZrSiO, HfZrSiON, ZrSiO и ZrSiON. С помощью такой структуры можно предотвратить появление статического заряда, образующегося в случае, когда слой подзатворного диэлектрика и кремниевого затвора находятся в прямом контакте друг с другом.
Недостатком данного способа является невозможность уменьшения напряжения переключения полевого транзистора n-типа.
Известно изобретение «Полупроводниковые устройства и способ их производства» (Заявка № JP 2006086511, опубл. 2006-03-30), в котором для подавления увеличения порогового напряжения в полупроводниковом устройстве, включающем затвор, изолирующую пленку, выполненную из диэлектрического материала с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и электрода затвора из поликристаллического кремния с примесями Р-типа, полевой транзистор включает полупроводниковую подложку, пленку, изолирующую затвор, сделанную из материала с высокой диэлектрической проницаемостью и включающую элемент из группы Hf, Zr, лантаноида или N.
Недостатком данного способа является невозможность уменьшения напряжения переключения полевого транзистора n-типа.
x
y
2
1
2
2
Известно изобретение «Выборочное внедрение барьерных слоев в КМОП устройства с диэлектриками, обладающими высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости с целью контроля порогового напряжения» (Заявка № WO 2005122286, опубл. 2005-12-22), в котором описан способ формирования КМОП структуры и устройства, в основе которого она лежит, с улучшенным пороговым напряжением и стабильностью напряжения плоских зон. Способ включает стадии, на которых происходит образование на полупроводниковой подложке областей n- и р-полевого транзистора; образование диэлектрической слоистой структуры поверх полупроводниковой подложки, включающей изолирующий слой на диэлектрике с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости; удаление изолирующего слоя с области n-типа, не удаляя при этом изолирующий слой с области р-типа; и образование по крайней мере одного затвора в р-области и хотя бы одного в n-области. Изолирующим слоем может быть AlN или AlON, толщина которого приблизительно от 1 до 25 Å. Изолирующий слой может быть сформирован различными процессами осаждения, например, осаждением из химической паровой фазы (CVD), послойного атомного осаждения (ALD), используя нитриды и оксинитриды Al, Ga, In. Диэлектриком с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости может быть НfO, силикат гафния или оксинитрид гафния с кремнием. Изолирующий слой можно удалить с n-области, используя жидкостное травление раствором пероксида НС/НО. Изолирующий слой в данном изобретении применяется только для р-типа транзистора.
Недостатком данного изобретения является невозможность использования изолирующего слоя для n-типа транзистора и, как следствие, уменьшения и стабильности напряжения переключения полевого транзистора n-типа.
Задачей данного изобретения является обеспечение управления напряжением переключения полевого транзистора n-типа и уменьшения напряжения переключения полевого транзистора n-типа с увеличением стабильности напряжения переключения.
Данная задача решается созданием способа формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, включающего осаждение на полупроводниковой подложке слоя диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, на поверхность которого наносят промежуточный слой, на который осаждают металлический затвор, при этом осаждают слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм, а промежуточный слой выполнен из сурьмы (Sb).
Кроме того, промежуточный слой наносят толщиной 0.15-0.41 нм.
Кроме того, металлический затвор выполнен из силицида никеля (NiSi).
Кроме того, металлический затвор осаждают толщиной от 300-3000 нм.
Кроме того, полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).
2
Кроме того, на подложке формируют подслой SiO.
2
Кроме того, формируют подслой SiO химическим способом толщиной 0.1-1 нм.
Данная задача также решается созданием структуры полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, содержащей полупроводниковую подложку, слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, расположенный на подложке, нанесенный на него промежуточный слой, на котором расположен металлический затвор, при этом слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости выполнен толщиной от 1-10 нм, а промежуточный слой выполнен из сурьмы (Sb).
Кроме того, промежуточный слой выполнен толщиной 0.15-0.41 нм.
Кроме того, металлический затвор выполнен из силицида никеля (NiSi).
Кроме того, металлический затвор выполнен толщиной от 300-3000 нм.
Кроме того, полупроводниковая подложка выполнена из кремния (Si).
2
Кроме того, на подложке выполнен подслой SiO.
2
Кроме того, подслой SiO выполнен толщиной 0.1-1 нм.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг.1 изображена схема этапов формирования полевого КМОП транзистора, созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов.
3/2
2
На фиг.2 изображен график изменения нормированных РФЭС спектров Hf 4f и Ni 2р силицида Ni на поверхности HfO/Si: a) NiSi, b) осаждение Sb (0.3 нм)/Si (2 нм)/Ni (1.1 нм) и отжиг при Т=400°С, 3 min; g) осаждение Ni (3 нм).
На фиг.3 изображен график влияния изолирующего слоя Sb на вольт-фарадную характеристику МДП-структуры.
Способ осуществляется следующим образом.
-7
Экспериментальные результаты были получены на спектрометре XSAM-800 (Kratos), совмещенном с двумя сверхвысоковакуумными (СВВ) камерами. Камера препарирования (давление 10 Па) используется для контролируемого роста с помощью импульсного лазерного осаждения (ИЛО) ультратонких слоев Ni и Si, а также маркерных слоев Sb с субмонослойной точностью.
Осаждение осуществляется с использованием второй гармоники иттрий-алюминиевого гранатового (YAG):Nd лазера (λ=532 нм), работающего в режиме модулированной добротности (т=15 нс) с различной выходной энергией Е=50-150 мДж и частотой импульсов U=30 Гц. Скорость осаждения, непосредственно откалиброванная ex-situ измерениями Резерфордовского обратного рассеяния (POP), составляет ~ 0.01-0.1 монослой/импульс. Эта технология позволяет выращивать сплавные слои Ni-Si с точным составом, контролируемым последовательным напылением субмонослойных слоев Ni и Si.
2
На подложке Si (100) формируют подслой SiO с использованием послойного атомного осаждения.
2
2
Слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости осаждают на выращенном подслое SiO, толщиной ~ 0.5 нм, с использованием послойного атомного осаждения, из оксида гафния (НfO) толщиной от 1-10 нм (1.), на поверхность которого наносят промежуточный слой, выполненный из сурьмы (Sb) толщиной 0.15-0.41 нм, например, импульсным лазерным осаждением, либо осаждением из химической паровой фазы, испарением или любым другим способом (2.). На промежуточный слой осаждают металлический затвор осаждением из химической паровой фазы, испарением или любым другим способом, толщиной от 300-3000 нм, выполненный из слоя силицида никеля (NiSi) (3.).
Данным способом формирования полевого КМОП транзистора получена структура полевого КМОП транзистора (3.), созданного с использованием диэлектриков на основе оксидов металлов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и металлических затворов, содержащая подложку из кремния, слой диэлектрика с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости толщиной от 1-10 нм, расположенный на подложке, нанесенный на него промежуточный слой, выполненный из сурьмы (Sb) толщиной 0.15-0.41 нм, на котором расположен металлический затвор, выполненный из слоя силицида никеля (NiSi) толщиной от 300-3000 нм.
2
2
2
-8
Для формирования металлического затвора можно использовать два способа, а именно: (1) нанесение двухслойной структуры Si/Ni или (2) соосаждение Ni и Si, и последующий отжиг при Т~300-500°С, минимальная температура определятся температурой начала твердофазной реакции, а при повышении температуры свыше 500°С начинается укрупнение зерен и уменьшение однородности пленки. В представленных экспериментах промежуточный слой Sb был нанесен между подзатворным диэлектриком и слоем Si. Все измерения методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) были осуществлены на подложке Si (100) с 3-х нм слоем НfO, выращенным на ~0.5 нм подслое SiO с использованием послойного атомного осаждения. Для создания надежного электрического контакта между спектрометром и силицидным слоем был отдельно нанесен 100 нм слой Au, покрывающий часть НfО вблизи от держателя образца. После каждого шага осаждения образец перемещался без нарушения вакуума в аналитическую камеру, оснащенную РФЭС-спектрометром (давление в камере ~5×10 Па). Также образец мог быть нагрет до Т=500°С с помощью резистивного нагревателя, что позволяло изучать силидизацию и соответствующие изменения.
2
Рентгеновские фотоэлектронные (Мg Кα источник с энергией фотона Е=1253.6 eV) спектры основных уровней Si 2р, Ni 2р, Hf 4f, О 1s, а также Sb 3d, соответствующий примесям, записывались после каждого шага нанесения и формирования силицида. Фотоэлектронный пик Au 4f с энергией связи 84 eV использовался как опорный для калибровки спектрометра. Толщина слоев Si и Ni, вычисляемая из числа импульсов осаждения, калибровалась с помощью резерфордовского обратного рассеяния (POP), впоследствии проверялась анализом уменьшения уровня сигнала Hf 4f при послойном росте. Это также означает, что общая толщина слоя Ni/Si должна быть очень маленькой, чтобы сохранялась возможность изучать сигнал от поверхности НfO, что позволяло наблюдать относительные изменения в положении спектральных линий всех элементов.
2
2
-4
-2
Для проверки результатов изменения, полученных с помощью РФЭС, был изготовлен металл-оксид-полупроводник (МОП) конденсатор с толстым (~10 нм) слоем НfО и Ni или Ni/Si (~100 нм толщиной) в качестве металлического затвора, нанесенным с помощью ИЛО через теневую маску (площадь контакта 8×10 см) с аналогичным отжигом всех образцов. Для обеспечения нижнего омического контакта была использована In-Ga смесь. Вольт-фарадные (C-V) характеристики (фиг.3) были измерены на частотах 100 кГц и 1 МГц с использованием в качестве анализатора Keithley 590 CV Analyzer. Работа выхода металлического затвора извлекалась из анализа сдвига C-V зависимостей по сравнению со структурой Ni/HfO/Si.
Примеры осуществления способа и структуры.
2
Изменения спектров (нормированных) Hf 4f и Ni 2р, полученных в процессе осаждения Si и Ni толщиной 1.8 и 1.1 нм соответственно, отвечающих атомному соотношению Ni:Si=1:1, и при отжиге в вакууме показаны на Фиг.2 (а-с) (сдвиги спектров О 1s совпадают с изменениями Hf 4f и не показаны). В процессе осаждения и термической обработки линия Hf 4f не изменяет своей формы, что означает, что с НfO не происходит никаких химических изменений в результате наших экспериментов. Следовательно, сдвиги линии Hf 4f могут быть объяснены только изменением эффективной работы выхода металлического затвора, в то время как химический сдвиг и изменение вакуумной работы выхода вносят вклад в сдвиг линии Ni2p.
2
Hf
При осаждении на поверхность НfО слоя NiSi путем последовательного осаждения Si, а затем Ni и отжига в вакууме при температуре Т=300°С в течение 1 мин, термической обработки типичной для формирования фазы силицида никеля, положение линии Hf 4f сдвинулось на ΔBE=0.3 eV (WF~4.4 эВ).
2
n
Также была изучена структура со сверхтонким δ-слоем примесных атомов на границе раздела затвор-диэлектрик. Для этого был осажден маркерный субмонослой Sb (толщиной 0.3 нм, определенной по резерфордовскому обратному рассеянию) на поверхность НfO перед осаждением слоя Ni/Si и отжига. Это привело к изменению работы выхода по сравнению с среднезонным (WF~4.4 эВ) NiSi в сторону FET, т.е. =4.2 eV.
Уменьшение толщины диэлектрика приводит к росту токов утечки через затвор и увеличению удельной емкости структуры, соответственно толщину подбирают из условий, необходимых для конечного устройства.
Минимальная толщина промежуточного слоя Sb определяется тем, что слой должен быть сплошным, а при увеличении толщины ухудшает свойства сформированной структуры ввиду плохих электрофизических свойств Sb (обеднение затвора и увеличение «эквивалентной» толщины диэлектрика).
Толщина затвора влияния не оказывает и подбирается из соображений удобства изготовления.
2
fb
Также были осуществлены измерения C-V зависимостей, для МОП-конденсатора с использованием структуры HfO/Si с Ni и NiSi в качестве металлического затвора (фиг.3). Направление смещения, определяемое взаимным расположением зон для различных металлических затворов, совпадает с результатами РФЭС измерений, приведенных выше. Незначительное изменение величины ΔV=0.6 eV, определенной из C-V измерений, от значения, полученного по формуле ΔWF=, может быть объяснено возможным дополнительным зарядом в объеме диэлектрика и/или образованием диполя на границе раздела, которые оказали влияние на положение C-V кривой.
Таким образом, применение в данном изобретении тонкого изолирующего слоя сурьмы позволило управлять напряжением переключения полевого транзистора n-типа, тогда как в прототипе применение изолирующих слоев возможно только для полевого транзистора р-типа.
Предлагаемый нами способ позволяет уменьшить напряжение переключения полевого транзистора n-типа, используя для этого тонкий изолирующий слой Sb между подзатворным диэлектриком и металлическим затвором.