Полевой транзистор с плавающим затвором

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Емельянов Антон Викторович Алиева Наталья Васильевна Емельянов Виктор Андреевич Трусов Виктор Леонидович Шикуло Владимир Евгеньевич Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Полевой транзистор с плавающим затвором, содержащий сформированные в приповерхностной области полупроводниковой подложки первого типа проводимости активные области истока и стока второго типа проводимости, плавающий затвор, выполненный из легированного поликристаллического кремния в виде полевого электрода, изолированный от поверхности подложки подзатворным диэлектриком, расположенный над областью первого типа проводимости и электрически связанный со стоком посредством туннельного перехода в упомянутом подзатворном диэлектрике, и управляющий затвор, расположенный непосредственно над плавающим затвором, отделенный от него пленкой конденсаторного диэлектрика из диоксида кремния и образующий с ним конденсатор, отличающийся тем, что дополнительно содержит пленку нитрида кремния толщиной 10-70 нм и пленку оксинитрида кремния толщиной 1-5 нм, последовательно расположенные между упомянутой пленкой диоксида кремния и управляющим затвором.(56) 1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники Учебное пособие для вузов. - М. Сов. радио, 1980. - С. 135. 2. Джонсон У.С., Кун Дж.Л., Реннингер Э.Л., Перлегос Дж. Электрически стираемое ППЗУ емкостью 16 К на туннельном эффекте с побайтовым изменением хранимой информации // Электроника. - 1980. -5. - С. 27-34 (прототип). 3. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 1 Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М. Мир, 1986. С. 161. Полезная модель относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использована при изготовлении кристаллов интегральных схем (ИС). Полевые транзисторы широко используются при изготовлении запоминающих ИС. Типовая конструкция полевого транзистора с изолированным затвором описана в 1. Транзистор содержит сформированные в приповерхностной области полупроводниковой подложки первого типа проводимости активные области истока и стока второго типа проводимости и затвор, выполненный из электропроводного материала, изолированный от поверхности подложки тонким слоем диэлектрика и расположенный над областью первого типа проводимости. При подаче на затвор электрического потенциала в приповерхностной области полупроводниковой подложки вследствие эффекта поля возникает проводящий канал, и транзистор открывается. В качестве подзатворного диэлектрика наиболее часто используют термический диоксид кремния толщиной несколько десятков нм. Повышение степени интеграции ИС, снижение энергопотребления, улучшение электрофизических характеристик транзистора требуют минимизации толщины подзатворного диэлектрика, повышения его электрической прочности, снижения пористости и улучшения ряда других характеристик. Основным недостатком полевого транзистора с изолированным затвором является то,что ячейки памяти ИС, построенные на них, занимают большую площадь кристалла. Это обусловлено преимущественно тем, что они содержат обычно шесть таких транзисторов. Кроме того, существуют серьезные проблемы, связанные с перезаписью информации. В связи с этим полевые транзисторы с изолированным затвором имеют относительно ограниченное применение. В настоящее время для изготовления запоминающих устройств (ЗУ) наиболее широко используется в качестве основного конструктивного элемента полевой транзистор с плавающим затвором. Ячейка памяти, построенная на его основе, содержит всего два транзистора. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом является полевой транзистор с плавающим затвором, содержащий сформированные в приповерхностной области полупроводниковой подложки первого типа проводимости активные области истока и стока второго типа проводимости, плавающий затвор, выполненный из электропроводного материала в виде полевого электрода, изолированный от поверхности подложки подзатворным диэлектриком, расположенный над областью первого типа проводимости и электрически связанный со стоком посредством туннельного перехода в упомянутом подзатворном диэлектрике, и управляющий затвор, расположенный непосредственно над плавающим затвором, отделенный от него конденсаторным диэлектриком и образующий с ним конденсатор 2. Как следует из описания прототипа, в качестве подложки используется кремниевая пластина - или -типа проводимости, в качестве подзатворного и конденсаторного диэлектриков - пленки термически выращенного диоксида кремния, в качестве материала плавающего затвора - пленки легированного поликристаллического кремния, в качестве материала управляющего затвора - пленки легированного поликристаллического кремния, силицидов или полицидов. 92082013.06.30 Одним из слабых мест такого транзистора является пленка конденсаторного диэлектрика. С одной стороны, эта пленка должна выдерживать относительно высокие напряжения, используемые в процессе стирания и записи информации. Для обеспечения этого она должна быть относительно толстой и не содержать дефектов. С другой стороны, эффективная работа транзистора обеспечивается за счет емкостной связи между управляющим и плавающим затворами. Чтобы обеспечить требуемое значение емкости, толщина конденсаторного диэлектрика должна быть как можно меньше. Повышение степени интеграции,повышение быстродействия и связанное с этим уменьшение размеров элементов в плане требует уменьшения площади затвора такого транзистора, что приводит к уменьшению рассматриваемой емкости. Однако компенсация снижения емкости и ее восстановление до необходимого значения за счет уменьшения толщины конденсаторного диэлектрика невозможна вследствие потери его электрической прочности. Потеря прочности происходит преимущественно за счет наличия в тонких пленках микропор. Наличие микропор приводит к шнурованию тока, локальному разогреву дефектных участков и их проплавлению с образованием микроворонки. Значение емкости при этом уменьшается пропорционально проплавленной площади. Данное явление обусловлено исключительно наличием дефектов диэлектрика,известно как залечивание и приводит к невоспроизводимости требуемых значений емкости,нестабильной работе транзистора в целом и снижению выхода годных приборов. Таким образом, прототип характеризуется нестабильностью характеристик транзистора,обусловленной наличием дефектов, что приводит к снижению выхода годных приборов. Задачей заявляемой полезной модели является повышение воспроизводимости характеристик транзистора за счет улучшения качества конденсаторного диэлектрика. Поставленная задача решается тем, что в полевом транзисторе с плавающим затвором,содержащем сформированные в приповерхностной области полупроводниковой подложки первого типа проводимости активные области истока и стока второго типа проводимости,плавающий затвор, выполненный из легированного поликристаллического кремния в виде полевого электрода, изолированный от поверхности подложки подзатворным диэлектриком, расположенный над областью первого типа проводимости и электрически связанный со стоком посредством туннельного перехода в упомянутом подзатворном диэлектрике, и управляющий затвор, расположенный непосредственно над плавающим затвором, отделенный от него пленкой конденсаторного диэлектрика из диоксида кремния и образующий с ним конденсатор, дополнительно содержит пленку нитрида кремния толщиной 10-70 нм и пленку оксинитрида кремния толщиной 1-5 нм, последовательно расположенные между упомянутой пленкой диоксида кремния и управляющим затвором. Сущность заявляемого технического решения заключается в повышении диэлектрической проницаемости конденсаторного диэлектрика и снижении его дефектности. Нитрид кремния широко используется в электронной технике в качестве конструктивного материала для формирования активных и пассивных элементов. Диэлектрическая проницаемость нитрида кремния заметно выше по сравнению с диоксидом кремния. Поэтому замена диоксида кремния его нитридом позволяет существенно уменьшить размеры конденсатора и/или увеличить его емкость. Выбор толщины слоя нитрида кремния определяется требуемыми характеристиками изготавливаемых приборов и может составлять от 10 до 70 нм. При меньших толщинах этого слоя не обеспечивается требуемый запас по электрической прочности, а более высокие приводят к неприемлемому снижению емкости между плавающим и управляющим затворами транзистора, к уменьшению коэффициента передачи напряжения, прикладываемого к электродам транзистора, и ухудшению работоспособности транзистора с плавающим затвором. Однако простая замена одного слоя другим невозможна по причине наличия в нитриде кремния высоких растягивающих напряжений - до 100 ГПа 3, обусловленных процессами формирования пленки. Дефектность полученных структур оказывается больше, чем аналогичных на основе диоксида. 3 92082013.06.30 Диоксид кремния характеризуется наличием большого количества полиморфных превращений в широком интервале температур. Самая низкая из них составляет всего 115 С 4. В связи с этим формирование структур- 2 с минимальными остаточными напряжениями достигается выбором условий их охлаждения, учитывающих скорость и обеспечивающих необходимую полноту таких превращений. Нитрид кремния имеет только две устойчивые модификации с температурой перехода 1400 С 5. Монокристаллическому кремнию в условиях формирования ИС полиморфные превращения вовсе не присущи 6. Несмотря на небольшое различие в значении коэффициентов линейного термического расширения (клтр) 34 и кремния (3,410-6 -1 для 34 5 и 3,7210-6 -1 для 6), использование высоких температур при изготовлении ИС и отсутствие полиморфных превращений 34 приводят к возникновению высоких механических напряжений на границах раздела слоев. В связи с этим заявляемое техническое решение предусматривает использование тонких демпфирующих слоев диоксида и оксинитрида кремния, расположенных по обе стороны пленки нитрида. Такой выбор обусловлен технологичностью их получения и совместимостью с процессами формирования ИС в целом. Слой диоксида кремния в качестве конденсаторного диэлектрика используется в прототипе, однако его толщина ограничена снизу минимально допустимым напряжением пробоя формируемых структур. В случае заявляемого технического решения основная электрическая нагрузка лежит на слое нитрида кремния, который характеризуется заметно большим напряжением пробоя и диэлектрической проницаемостью. Поэтому толщина слоя диоксида кремния в данном случае может быть сведена к минимуму, например до 1-10 нм. Слой оксинитрида кремния в заявляемой конструкции можно рассматривать как совокупность нитрида и диоксида кремния переменного состава. Релаксация напряжений в этом случае протекает через полиморфные превращения оксидной составляющей. Выбор в качестве верхнего демпфирующего слоя именно оксинитрида обусловлен способностью нитрида кремния окисляться в процессе формирования ИС. При этом в зависимости от условий окисления может образовываться оксинитрид или диоксид кремния. Поскольку образование диоксида сопряжено с полным испарением азота из приповерхностной области пленки и ее заметным разрыхлением, использование оксинитрида предпочтительнее. Такие пленки являются очень плотными и к тому же характеризуются более высокими значениями пробивного напряжения и диэлектрической проницаемости по сравнению с диоксидом кремния. Кроме того, для получения оксинитрида требуются заметно меньшие температуры, чем для диоксида, что способствует большей сохранности характеристик активной структуры. Выбор толщины слоя оксинитрида кремния в многослойном конденсаторном диэлектрике обоснован следующими факторами. При толщине менее 1 нм, например 0,5 нм (т.е. примерно 5 атомных слоев) общее количество оксинитрида оказывается недостаточным для свободного протекания полиморфных превращений и релаксации механических напряжений. Толщина более 5 нм, например 10 нм, неприемлема по причине общего увеличения толщины диэлектрика, что приводит к уменьшению емкости без дальнейшего снижения дефектности. Кроме того, значительно увеличивается время окисления нитрида,что приводит к бесполезному увеличению трудоемкости формирования структур. Заявляемое техническое решение поясняется фигуре, где приведено схематическое изображение заявляемого транзистора. На фигуре приняты следующие обозначения 1 полупроводниковая подложка, 2 - область истока, 3 - область стока, 4 - подзатворный диэлектрик с туннельным переходом 5, 6 - плавающий затвор, 7 - конденсаторный диэлектрик, состоящий из слоя диоксида кремния 7.1, слоя нитрида кремния 7.2 и слоя оксинитрида кремния 7.3, 8 - управляющий затвор, к областям истока 2 и стока 3 сформированы контактные окна 9 и 10 соответственно. Как видно из фигуры, заявляемый транзистор содержит сформированные в приповерхностной области полупроводниковой подложки первого типа проводимости 1 актив 4 92082013.06.30 ные области истока 2 и стока 3 второго типа проводимости, плавающий затвор 6, выполненный из легированного поликристаллического кремния в виде полевого электрода, изолированный от поверхности подложки подзатворным диэлектриком 4, расположенный над областью первого типа проводимости и электрически связанный со стоком посредством туннельного перехода 5, представляющего собой тонкую пленку диоксида кремния, в упомянутом подзатворном диэлектрике 4, управляющий затвор 8, расположенный непосредственно над плавающим затвором 6, отделенный от него конденсаторным диэлектриком 7, состоящим из слоя диоксида кремния 7.1, слоя нитрида кремния 7.2 толщиной 10-70 нм и слоя оксинитрида кремния 7.3 толщиной 1-5 нм. Плавающий и управляющий затворы образуют конденсатор, обеспечивающий электрическую связь между ними. Транзистор работает следующим образом. Принцип работы транзистора с плавающим затвором основан на туннельной инжекции электронов через переход 5 в обоих направлениях. В режиме записи информации электроны туннелируют из области стока 3 через область туннельного диоксида кремния 5 на плавающий затвор 6 и накапливаются на нем, создавая большой отрицательный заряд. Запрограммированное состояние транзистора соответствует наличию отрицательного заряда на плавающем затворе и высокому пороговому напряжению транзистора. Для реализации такого состояния к управляющему затвору 8 транзистора прикладывается высокое напряжение при заземленных электродах истока 2, стока 3 и подложки 1. После прекращения подачи напряжения заряд на плавающем затворе сохраняется, и транзистор остается закрытым неопределенно долго. В режиме стирания информации электроны, находящиеся на плавающем затворе 6, туннелируют через переход 5 в область стока 3. В стертом состоянии на плавающем затворе 6 сохраняется небольшой положительный заряд, приводящий к отрицательному пороговому напряжению и к отпиранию транзистора. Для реализации такого состояния к управляющему затвору 8 транзистора прикладывается нулевое смещение, электроды истока 2 и подложки 1 заземляются, а к электроду стока 3 прикладывается высокое напряжение. Обеспечение устойчивой и продолжительной работы транзистора достигается за счет надежного хранения заряда на плавающем затворе. Это возможно лишь в том случае, если токи утечки между плавающим затвором 6 и управляющим затвором 8 пренебрежимо малы, а емкость образованного ими конденсатора достаточно высока. Использование многослойного конденсаторного диэлектрика на основе нитрида кремния с демпфирующими слоями позволяет решить эту проблему. Диэлектрическая проницаемость и напряжение пробоя нитрида кремния значительно выше, чем у диоксида кремния. Наличие демпфирующих слоев 7.1 и 7.3 обеспечивает отсутствие дефектов типа пор. Более высокая диэлектрическая проницаемость нитрида кремния позволяет использовать более толстые пленки, что также приводит к существенному снижению дефектности. Это позволяет повысить напряжение пробоя и емкость конденсатора, заметно уменьшить размеры транзистора, а при прочих равных условиях - повысить воспроизводимость электропараметров и выход годных. Таким образом, заявляемая конструкция транзистора с плавающим затвором, по сравнению с прототипом, характеризуется большей воспроизводимостью электрофизических характеристик за счет увеличения диэлектрической проницаемости и запаса электрической прочности конденсаторного диэлектрика, а также снижения его дефектности. Заявляемую конструкцию транзистора испытывали при изготовлении интегральных схем типа 2802-5. На пластинах 150 КДБ-12 (100) стандартными методами химической обработки, окисления, термообработки, ионного легирования, диффузии, фотолитографии, травления формировали области кармана, охранных областей - и -типов,локального оксида кремния, активных областей истоков и стоков - и -типов. Затем формировали подзатворный диэлектрик и туннельный переход путем термического окисления кремния и осаждали слой поликристаллического кремния толщиной 40040 нм,5 92082013.06.30 который затем легировали фосфором. Далее формировали рисунок областей плавающего затвора. После проведения ионного легирования требуемых областей ионами бора и фосфора поверхность поликристаллического кремния окисляли до достижения толщины диоксида кремния 2,70,3 нм при температуре 800 С в атмосфере кислорода с азотом. Затем осаждали слой нитрида кремния, его толщина указана в таблице. После этого проводили сначала термообработку в атмосфере азота при температуре 1000 С в течение 120 мин, а затем окисление нитрида кремния до требуемой толщины во влажном кислороде при температуре 850 С. Толщина слоя оксинитрида приведена в таблице. При изготовлении структур в соответствии с прототипом конденсаторный диэлектрик формировали из диоксида кремния путем термического окисления материала затвора. После этого осаждали слой поликристаллического кремния толщиной 20020 нм, проводили его легирование и формировали рисунок управляющего затвора. Далее завершали формирование активных областей, формировали межуровневый диэлектрик, металлическую разводку на основе алюминия и защитное пассивирующее покрытие. После этого осуществляли контроль электрофизических характеристик и функционирования приборов. Результаты контроля приведены в таблице. Влияние конструктивных особенностей транзистора на его электрические характеристики и выход годных приборов Толщина Толщина Разброс знаНаличие Выход год слоя нитри- слоя окси- чений емко- эффекта за- ных криПримечание п/п да, нм нитрида, нм сти,лечивания сталлов,отдельные 1 5 3,0 5,3 82,1 случаи 2 10 3,0 4,0 нет 91,0 3 35 3,0 3,5 нет 91,2 4 70 3,0 3,2 нет 87,3 5 120 3,0 3,7 нет 85,2 отдельные 6 35 0,5 6,2 87,2 случаи 7 35 1,0 3,0 нет 90,5 8 35 5,0 2,5 нет 89,9 велико время формирова 9 35 10,0 3,1 нет 90,1 ния оксинитрида практически 10 прототип 8,7 81,3 все структуры Из приведенных данных видно, что использование заявляемой конструкции транзистора позволяет стабилизировать значение его электрических характеристик и увеличить выход годных приборов. Использование многослойного конденсаторного диэлектрика предотвращает появление эффекта залечивания, что свидетельствует о снижении его дефектности. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить воспроизводимость характеристик транзистора за счет улучшения качества конденсаторного диэлектрика. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6