Затворы субмикронных МОП - транзисторов

 

Обычно при изготовлении субмикронных МОП - транзисторов используется двухслойная структура затвора: нижний слой – поликремний (Si*), верхний – низкоомный силицид тугоплавкого металла. Затворный слой должен обладать следующими свойствами:

· не оказывать воздействия на параметры подзатворного диэлектрика;

· иметь однородную структуру;

· иметь достаточную концентрацию легирующей примеси и не обедняться электрическим полем в диэлектрике;

· иметь низкое слоевое сопротивление;

Одновременному выполнению всех этих требований мешают физические процессы, протекающие одновременно с технологическими процессами формирования структуры микросхемы.

Размер зерен пленки поликремния должен быть значительно меньше длины затвора. В этом случае суммарная площадь межзеренных границ будет достаточной для равномерной ускоренной диффузии легирующей примеси по всему объему пленки. Если зерна сравнимы по размерам с длиной затвора, то на границе с окислом концентрация легирующей примеси будет существенно неоднородной. Примесь, сконцентрировавшись на границах зерен, будет создавать локальные неоднородности параметров транзисторной МОП - структуры. Рассогласование пороговых напряжений соседних одинаковых МОП - транзисторов обусловлено неоднородностью фронта легирования слоя затворного поликремния. Выравнивание концентрации в поликремнии потребует увеличения времени термообработки, что тоже плохо из-за неравномерной диффузии примеси в подзатворный окисел. Особые трудности представляет диффузия бора сквозь окислы толщиной менее 5 нм. Увеличение времени термообработки поликремния ведет к росту размера зерен и увеличению локальных механических напряжений на границе с диэлектриком. Механические напряжения провоцируют рост плотности дефектов в окисле.

Уменьшение размеров зерен поликремния в затворе достигается снижением температуры осаждения пленки (530°С) и времени кристаллизации (680°С,       10 мин).

Обеднение поликремния затвора носителями возникает, когда концентрация ионизованной примеси на границе с окислом становится ниже уровня вырождения кремния (5×10¹⁹ см^-2). Примесь выпадает из твердого раствора и концентрируется на границах зерен при низкотемпературных режимах обработки пластин. Эффективная толщина окисла при этом увеличивается, управляющая емкость затвора и ток стока снижаются, а пороговое напряжение МОП - транзистора растет. Частично подавить эффект обеднения удается путем повторного легирования поликремния после первой термообработки. Обеднение кремния сильнее проявляется в PМОП - транзисторах, так как предельная растворимость мышьяка в кремнии значительно больше, чем бора. Выше и остаточная концентрация мышьяка после дезактивации части примеси.

Борьба с диффузией бора в подзатворном окисле ведется двумя путями: нитрированием подзатворного окисла и легированием азотом подзатворного поликремния. Нитрирование окисла ведется при высоких температурах и снижает возможности последующих термообработок. Имплантация ионов азота в поликремний ведется с энергией 10¸20 кэВ. Максимум распределения располагается вблизи поверхности, чтобы не создавать дефектов в подзатворном окисле. Доза имплантации азота – 5¸8× 10¹⁵ см^-3. Если доза имплантации бора больше дозы азота, то наличие азота в поликремнии слабо влияет на обеднение границы поликремния с окислом. Тем не менее, азот значительно снижает коэффициент диффузии бора и предотвращает деградацию параметров            PМОП - транзистора. Если доза бора меньше дозы азота, то эффект обеднения затвора становится значительным. Азот деактивирует атомы бора, вступая с ним в связь.

 

Контакты к поликремниевым затворам, истокам и стокам

МОП - транзистора

 

Силициды тугоплавких металлов в контактах с кремнием и поликремнием – обязательный элемент структуры субмикронных КМОП - микросхем. Если силицид формируется одновременно и самосовмещенно на затворе и областях стока-истока, то такую МОП - структуру называют салицидной (Self – aligned silicide). Когда же слой силицида формируется на поликремнии до фотолитографии, то структуру называют полицидной (polysilicon-silicide).

Силициды металлов, используемые в КМОП - технологии, – TiSi₂, CoSi₂, NiSi, PtSi – создаются в результате термического взаимодействия слоя металла с кремнием. В процессе взаимодействия растворяется тонкий слой естественного окисла, обычно присутствующий на поверхности кремния. Наиболее широко применяются силициды титана и платины.

Для получения самосовмещенной салицидной структуры контактов необходимо сформировать на боковых стенках затвора диэлектрический спейсер – слой боковой изоляции. Этот же спейсер использовался для разделения контуров легирования областей SDE и CSD.

Последовательность этапов создания контактов показана на рис.12.2. Металл наносится на всю подготовленную поверхность пластины без фотолитографии. Затем металл первый раз вжигают в атмосфере азота при температуре около 500°С. Первое вжигание создает соединение, обогащенное металлом (Ni₂Si, Co₂Si). Непрореагировавший металл удаляют химическим травлением. Низкоомный контактный слой формируется в процессе второго отжига при температуре 750¸800°С. При этом происходит полное фазовое превращение (TiSi₂, CoSi₂). Толщина слоев силицида – не более 30 нм, слоевое сопротивление 5¸10 Ом/□. Более толстые слои создают термомеханические напряжения в структуре и увеличивают дефектность окисла.

При уменьшении длины затвора и толщины поликремния необходимо снижать и толщину слоя силицида. Однородность тонких слоев лучше у силицида платины PtSi. Толщина силицидного слоя снижается до 10¸15 нм, а слоевое сопротивление возрастает до 20 Ом/□.

В технологии с самосовмещением контактов невозможно одновременно управлять и слоевым, и контактным сопротивлением слоев силицидов. Для затворов требуется низкое слоевое сопротивление, а для стоков - истоков – низкое контактное. В полицидной технологии это противоречие снимается, так как силициды к затворам и стокам-истокам формируются в отдельных процессах. Легирование затворов PМОП и NМОП, а также нанесение на поликремний слоя силицида вольфрама (WSi₂) проводятся до фотолитографии затворов и легирования стока-истока. Перед формированием спейсера структуру защищают тонким слоем SiN. Общая термообработка проводится после легирования всех слоев. Сопротивление затворного слоя – 5¸10 Ом/□. Самый высокотемпературный силицид WSi₂ выдерживает термообработку выше 900°С без деградации и проникновения через поликремний в окисел. Тонкие контакты PtSi создаются в обычном процессе уже после формирования затворов, истоков и стоков             МОП - транзистора.

Самый большой недостаток силицида вольфрама – это нанесение его разложением WF₆ в присутствии SiH₄. При этом слой поликремния насыщается фтором. Фтор взаимодействует с окисью кремния, замещая в ней кислород и создавая оборванные ковалентные связи. Зарядовое состояние окисла становится неустойчивым, повышается его чувствительность к горячим носителям. Если легировать поверхность поликремния фосфором выше предела растворимости, то при осаждении WSi₂ свободный фтор вступает в реакцию с фосфором с образованием газообразного PF. Концентрация фтора в поликремнии резко снижается.

Металлизация

 

Слои металлизации должны обеспечивать низкое контактное сопротивление к приборам и другим слоям металлизации. Система соединений не должна создавать механических напряжений в структуре. Проводники должны быть устойчивы к электромиграции.

В КМОП - технологии часто применяются трехслойные проводники     TiN-Al-TiN. Нитрид титана обеспечивает хорошую адгезию с диэлектриками и увеличивает стойкость проводников к электромиграции. Алюминий придает проводникам хорошую электропроводность. Изолирующий межслойный диэлектрик - окисел кремния – обладает хорошими изолирующими свойствами и низкой диэлектрической проницаемостью Технология планаризации слоев окисла хорошо отработана.

Рассмотрим цикл формирования первого уровня межсоединений:

1. Нанесение слоя SiO₂ на поверхность пластины с полупроводниковыми приборами.

2. Фотолитография и плазмохимическое анизотропное травление окон в диэлектрике до поверхности контактов. Все переходные окна одинакового минимального размера (0,3 ´ 0,3 мкм²). Толщина диэлектрика примерно вдвое больше размера окон – 0,6 мкм.

3. После подготовки поверхности пластины проводится изотропное осаждение нитрида титана на всю поверхность. Толщина слоя немного больше половины размера окон (> 0,15 мкм). При этом окна заполняются нитридом титана, а поверхность пластины становится почти планарной. Следом осаждаются слои алюминия и нитрида титана (0,45 и 0,1 мкм).

4. Фотолитография разводки первого уровня и плазмохимическое травление металла. Рисунок металла таков, что все свободные места заняты мелкими фиктивными элементами, а между проводниками нигде нет больших промежутков.

5. Изотропное осаждение слоя SiO₂ толщиной около 1 мкм. Поверхность пластины имеет рельеф 0,2¸0,4 мкм, так как все зазоры между проводниками имеют объем много меньше объема осажденного диэлектрика.

6. Химико-механическая полировка пластин. После удаления слоя окисла 0,4 мкм поверхность полностью планаризуется.

7. Цикл повторяется с фотолитографии и травления переходных окон.

Пластина со всеми нанесенными слоями металлизации пассивируется слоем нитрида кремния (0,2¸0,3 мкм). Затем вскрываются большие контактные окна к внешним сварочным площадкам. В контактных окнах удаляется не только нитрид кремния, но и нитрид титана. Поверхность алюминия очищается для проведения сварочных операций.