Способ получения нитрированного окисного слоя на подложке из полупроводникового материала

 

Использование: изобретение предназначено для получения подзатворных окисных слоев КМОП-интегральных схем, полупроводниковых приборов, а также окисных слоев, применяемых в качестве изоляции активных элементов и в интегральных и дискретных структурах. Сущность изобретения: способ включает формирование окисного слоя на подложке и последующее термическое нитрирование его в азотсодержащей газовой среде в поле электромагнитного излучения, диапазон длин волн которого выбирают из условия ионизации среды. Способ позволяет улучшить электрофизические параметры и радиационную стойкость слоя при толщине свыше A.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем, и предназначено для получения подзатворных окисных слоев КМОП-интегральных схем, полупроводниковых приборов, а также окисных слоев, применяемых в качестве изоляции активных элементов в интегральных и дискретных структурах.

Известен способ получения радиационно-стойкого покрытия из оксинитрида кремния [1] , который заключается в том, что пленку осаждают пиролитически с последующим отжигом в атмосфере водорода при 500^оС в течение 3 ч.

Однако данный способ не позволяет получать пленку с удовлетворительными электрофизическими характеристиками.

Наиболее близким к изобретению является способ получения нитрированного окисного слоя на подложке из полупроводникового материала [2] , включающий формирование окисного слоя и последующее термическое нитрирование его в азотсодержащей газовой среде в поле электромагнитного излучения.

Данный способ позволяет получать удовлетворительные электрофизические характеристики подзатворного окисла, но пригоден только для сверхтонких слоев диэлектрика в КМОП-схемах и не обеспечивает хорошей радиационной стойкости слоя.

Целью изобретения является улучшение электрофизических параметров и повышение радиационной стойкости нитрированных окисных слоев при увеличении их толщины свыше 100 .

Для достижения цели диапазон длин волн электромагнитного излучения выбирают из условия ионизации азотсодержащей газовой среды.

При ионизации азотсодержащих газовых сред атомы азота возбуждаются, уменьшается их эффективный радиус и увеличивается скорость их диффузии в слой диоксида кремния. Появляется возможность эффективно нитрировать слой диоксида кремния большого диапазона толщин, от сверхтонких (100 ) до толстых (1 мкм и более) при пониженной температуре нитрирования (800-900^оС), что, в свою очередь, дает возможность увеличить значение и уменьшить разброс критической напряженности электрического поля в диэлектрике; уменьшить сдвиг порогового напряжения при воздействии ИИ с дозой 10⁶ рад в 2-3 раза, уменьшить величину изменения плотности поверхностных состояний на границе раздела Si - SiO₂ после воздействия ионизирующих излучений, а, следовательно, повысить радиационную стойкость диэлектрика за счет создания в его объеме центров, компенсирующих положительный заряд, образующийся после воздействия ИИ.

Практически все азотсодержащие газы распадаются на атомы и ионизируются в поле гамма- и рентгеновского излучения. Ультрафиолетовое излучение действует аналогичным образом для длин волн, соответствующих полосам поглощения применяемого газа.

Так, для NH₃ полосы поглощения соответствуют: 1-я полоса 170-217 нм 2-я полоса 140-169 нм 3-я полоса 115-150 нм.

Процесс активации и распада молекулы газа на радикалы можно представить следующим образом: NH₃ NH₂^*XB₁/ + H^* -λ≅ 280нм NH₃ NH^*(a¹Δ ) + H₂ --λ≅ 2240 нм NH₃ NH^*(x³ε ) + H^* + H^* ≅1470 нм.

NH₃ NH₃^* + - ионизация.

Для атомарного и молекулярного азота процесс ионизации начинается с λ= 85,0-65,0 нм, а процесс активации возбуждением с λ = 160-300 нм. Уменьшение длины волны ультрафиолетового излучения повышает вероятность ионизации, активации газовых сред в единицу времени.

П р и м е р 1. Окисляют кремниевую пластину р-типа (100) до толщины окисла 350-450^oС, помещают ее в кварцевую трубу диффузионной печи таким образом, чтобы обтекающий пластины азотсодержащий газ подвергался воздействию ультрафиолетового излучения (УФИ) вблизи поверхности пластины со стороны окисного слоя.

Режим: - температура окисления - 950^оС; - температура нитрирования - 950^оС; - время процесса - 5 мин, загрузка, газ O₂ (100 л/ч), 20 мин окисление, газ тот же, 10 мин - продувка N₂ (150 л/ч), 25 мин - нитрирование, газ N₂ (150 л/ч), NH₃ (15 л/ч), УФИ с λ = 180-600 нм, 5 мин - выгрузка N₂ (150 л/ч).

Параметры получаемых структур: - критическая напряженность электрического поля - Е_кр = 1,15-1,3 х 10⁷ В/см; - сдвиг порогового напряжения ΔU ≅ 0,1 В; - устойчивость к воздействию ионизирующего излучения - при дозе D = 1,10⁶ р, изменение U_пор менее 10% .

П р и м е р 2. Кремниевая пластина помещается в кварцевую трубу диффузионной печи для проведения окисления: Т = 950^оС, газ - O₂ (100 л/ч), толщина окисла - 350-450
Окисленную пластину запаивают в кварцевую трубу, заполненную азотом с добавкой 5% NH₃. Давление в трубе составляет приблизительно 1 атм. Труба помещается в термопечь, находящуюся в установке МРХ γ-20 (изотоп Со⁶⁰).

Режим азотирования: Т = 800^оС, t = 120 мин.

Режим установки: Е = 1,25 МэВ; Р = 180 Р/с; t_обр = 60 мин.

Параметры получаемых структур:
- Е_кр = 10⁷ В/см;
- сдвиг порогового напряжения ≅ 0,15 В;
- устойчивость к воздействию ионизирующего излучения - при дозе D = 10⁶ р изменение U_пор ≅ 10% .

Особый характер проведения операции нитрирования, а именно: проведение термического нитрирования в полях ионизирующих излучений, активирующих используемые азотсодержащие газовые среды, позволяет улучшить электрофизические параметры нитрированного слоя диоксида кремния; увеличить значение и уменьшить разброс критической напряженности электрического поля в диэлектрическом слое; уменьшить плотность поверхностных состояний на границе раздела Si - SiO₂ до величины порядка 5 ˙10¹⁰ см^-2 ев^-1; повысить радиационную стойкость слоя диоксида кремния.

Создание отрицательных заряженных центров в нитрированном диоксиде кремния эффективно компенсирует возникающий от воздействия ИИ положительных заряд вплоть до значений величины доз 10⁶-10⁷ рад для широкого диапазона толщин диоксида кремния. (56) 1. Патент США N 3765935, кл. В 44 d 1/18, опубл. 1973.

2. Fang Y. K. et al. "Inprovement of thin-gate oxide integrity using photoenhanced low-temperature nitridation" - Solid State Electronics, 1990, т. 33, N 8, с. 1039-1041.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИРОВАННОГО ОКИСНОГО СЛОЯ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА, включающий формирование окисного слоя на подложке и последующее термическое нитрирование его в азотсодержащей газовой среде в поле электромагнитного излучения, отличающийся тем, что, с целью улучщения электрофизических параметров и повышения радиационной стойкости слоя при толщине свыше 100 диапазон длин волн электромагнитного излучения выбирают из условия ионизации азотсодержащей газовой среды.