Результат интеллектуальной деятельности: Способ формирования структуры полевого силового радиационно-стойкого тренч-транзистора

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, а именно к технологии производства тренч-транзисторов, и может быть использовано для изготовления силовых полевых радиационно-стойких тренч-транзисторов.

Тренч-транзистор представляет собой силовой полевой транзистор, канал которого расположен вертикально на стенках массива параллельных тренчей, которые занимают большую часть площади кристалла. Иначе, тренч-транзистор можно представить, как большое количество полевых транзисторов, включенных параллельно: имеющих общий сток и исток, затворы которых соединены, а подзатворный диэлектрик расположен внутри тренча, что обеспечивает очень малое сопротивление в открытом состоянии и способность пропускать через себя большой ток без существенного нагрева. То есть, в тренч-транзисторах необходимо увеличить толщину подзатворного диэлектрика на дне тренча при сохранении и даже уменьшении толщины диэлектрика на стенке тренча.

В качестве ближайшего аналога изобретения выбран способ изготовления тренч-транзистора, предложенный в патенте на изобретение US 7807576. Предложенная в US 7807576 полупроводниковая структура включает в себя полевой транзистор, в котором множество тренчей формируется в полупроводниковой области с использованием маски. Маска включает: первый изолирующий слой на поверхности полупроводниковой области, первый противоокислительный слой над первым изолирующим слоем и второй изолирующий слой над первым противоокислительным слоем. На дне каждого тренча сформирован толстый слой подзатворного диэлектрика (thick bottom dielectric, TBD). Первый окислительный барьерный слой предотвращает образование диэлектрического слоя вдоль поверхности полупроводниковой области во время формирования TBD, следующий противоокислительный слой выполнен из нитрида кремния, что приводит к получению TBD на дне тренча.

Для формирования подзатворного диэлектрика при сформированных тренчах требуется провести большое количество операций, для которых требуется сложное оборудование, например, использование установки реактивно-ионного травления со спектрометром видимого диапазона для определения момента окончания травления барьерного слоя. Кроме того, нитрид кремния, будучи осажденным непосредственно на поверхность полупроводника, создает в нем огромные напряжения, приводящие к развитию дислокаций, которые негативно влияют на работу прибора в целом, что и приводит к необходимости введения дополнительного переходного слоя из диоксида кремния. Введение переходного слоя из диоксида кремния приводит к проблеме такого его последующего удаления, при котором не будет удален слой диоксида кремния на дне тренча.

В свою очередь, для решения технической проблемы, заключающейся в необходимости увеличения толщины подзатворного диэлектрика на дне тренча при сохранении и уменьшении толщины диэлектрика на его стенке предлагается способ формирования структуры полевого силового радиационно-стойкого тренч-транзистора при практическом осуществлении которого будет задействовано минимальное количество операций, будут предъявлены менее жесткие требования к материалам и оборудованию. Следовательно, изготовленные данным способом тренч-транзисторы характеризуются меньшим временем включения и повышенной радиационной стойкостью.

Предложен способ формирования структуры полевого силового радиационно-стойкого тренч-транзистора, в состав которого входит сток, исток и затвор с подзатворным диэлектриком. Слой подзатворного диэлектрика получают (наносят, осаждают) в тренчах со следующими геометрическими параметрами: ширина - 0,3-2 мкм, глубина - 1-8 мкм. Для получения слоя подзатворного диэлектрика выбрано плазмохимическое осаждение диоксида кремния из паров тетраэтоксисилана в аргоне и кислороде при удельной мощности плазменного разряда в реакторе 0,05-5 Вт/см², давлении 30-150 Па, температуре осаждения 150-450°С. Обеспечивается толщина подзатворного диэлектрика на дне тренча минимум в два раза больше, чем на стенках тренча. Дополнительное увеличение соотношения толщин подзатворного диэлектрика на дне и на стенках тренча может быть обеспечено повторными операциями травления и осаждения.

Плазмохимическое получение слоя диоксида кремния характеризуется минимальным количеством технологических операций и требует в первую очередь поддержания необходимых технологических параметров в реакторе, что позволит обеспечить заданные геометрические характеристики получаемого слоя. Выбранные параметры плазмохимического осаждения диоксида кремния из паров тетраэтоксисилана в аргоне и кислороде: мощность плазменного разряда в реакторе 0,05-5 Вт/см², давление 30-150 Па, температура осаждения 150-450°С обеспечиваются, например, в случае применения емкостных плазменных реакторов с плоскопараллельными электродами, подключенными к источнику высокочастотного питания, для групповой или поштучной обработки подложек. При снижении удельной мощности плазменного разряда в реакторе менее 0,05 Вт/см² снижается качество диоксида кремния, при повышении более 5 Вт/см² ухудшается равномерность получаемого диэлектрика, как по пластине, так и по партии пластин, что приводит к большому разбросу характеристик изготавливаемых транзисторов. При давлении менее 40 Па и более 150 Па горение плазмы становится неустойчивым. При понижении температуры менее 150°С заметно снижается качество диэлектрика, при ее повышении свыше 450°С начинают играть значительную роль процессы термического разложения тетраэтоксисилана.

Полученный при указанных выше параметрах в реакторе слой осажденного диоксида кремния на стенке тренча, на дне тренча и на поверхности полупроводниковой пластины имеет различную толщину. Толщина осажденного слоя диоксида кремния на дне тренча минимум в два раза больше, чем на стенках. Данное соотношение сохраняется вплоть до толщины слоя диоксида кремния на стенке тренча 200 нм (при этом толщина слоя диоксида кремния на дне тренча составляет 400 нм). При меньших толщинах это соотношение может составлять 1:3 и более. Данный эффект является неожиданным и проявляется только при осаждении диоксида кремния на пластины со сформированными в них тренчами, причем ширина тренчей находится в диапазоне от 0,3 мкм до 2 мкм, глубина тренчей от 1 мкм до 8 мкм. Дополнительно, подзатворный диэлектрик на стенке после его формирования может быть полностью удален со стенок тренча при сохранении некоторого количества на дне тренча, после этого можно вновь осадить слой диоксида кремния, что увеличит минимальное соотношение толщин на дне и на стенках тренча. То есть, повторяя операции травления и осаждения, можно увеличить соотношение толщин подзатворного диэлектрика на дне и на стенках тренча.

Необходимость достижения предложенного соотношения толщин подзатворного диэлектрика на дне и на стенках тренча при большей толщине на дне обосновывается следующим образом. Уменьшение времени включения транзистора происходит за счет уменьшения емкости Миллера (емкости «затвор - сток» в случае тренч-транзистора), которую можно уменьшить путем введения в конструкцию дополнительных электродов, расположенных непосредственно под затвором, что чрезмерно усложняет конструкцию или увеличить толщину диэлектрика на дне тренча. Можно считать, что емкость Миллера - это конденсатор, образованный затвором, стоком и подзатворным диэлектриком на дне тренча. Когда на затвор подается открывающее напряжение, транзистор открывается только после заряда этой емкости, чем меньше эта емкость, тем меньше время ее заряда и тем меньше время включения транзистора. Под действием ионизирующего излучения в подзатворный диэлектрик встраивается положительный заряд, что приводит к изменению порогового напряжения прибора вплоть до того, что тренч-транзистор будет все время открыт. Следовательно, чтобы накопленная доза не приводила к самопроизвольному возникновению канала, в районе канала, то есть на стенке тренча, необходим более тонкий подзатворный диэлектрик. Под воздействием тяжелых заряженных частиц около подзатворного диэлектрика на дне тренча появляется заряд, присутствие которого приводит к тому, что к нему некоторое время оказывается приложена разность потенциалов, чтобы выдержать такое воздействие, этот диэлектрик должен быть достаточно толстым.

Таким образом, предложен способ формирования структуры полевого силового радиационно-стойкого тренч-транзистора, при выполнении которого задействовано минимальное количество операций без использования сложного дорогостоящего оборудования. Тренч-транзисторы, изготовленные предложенным способом, будут применены в схемах, в которых предъявляются жесткие требования к частотным характеристикам прибора и к его радиационной стойкости, например, в импульсных источниках питания бортовой аппаратуры космических аппаратов.