СПОСОБ РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления оксидного слоя, являющегося основным структурным элементом интегральных схем на основе МОП-транзисторов, и может быть использовано в технологии изготовления МОП-интегральных схем и дискретных МОП-транзисторов с повышенной радиационной стойкостью.

Существуют различные способы получения оксидных пленок кремния с улучшенными характеристиками.

Известен способ создания оксидных пленок кремния [1], включающий 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 окисла. Недостатками данного способа являются сложность проведения процесса обработки при одновременном воздействии электромагнитного излучения и необходимость после обработки в среде азота проводить дополнительную термообработку в среде кислорода.

Известен способ радиационно-термического окисления монокристаллического кремния [2], заключающийся в том, что окисление проводится при температуре 600°C в поле γ-излучения, создаваемого источником Co⁶⁰ с энергией квантов ~1,2 МэВ. Скорости окисления при этом значительно выше, чем при термическом окислении. Воздействие γ-излучения приводит к разрушению структуры поверхностного слоя кремния и кристаллизации синтезированной на поверхности оксидной пленки, за счет чего и происходит увеличение скорости окисления. Недостатки способа - окисные пленки содержат большое количество поликристаллических включений в аморфной структуре и значения плотности поверхностных состояний и эффективного заряда в окисле аналогичны значениям для термически выращенного окисла, что не приводит к повышению радиационной стойкости приборов, использующих данные окисные пленки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является способ [3], в котором термическое окисление кремния происходит при воздействии стимулирующего стабильного низкоинтенсивного гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ, создаваемого в гамма-контуре на основе линейного ускорителя электронов (ЛУЭ). Окисление проводится в атмосфере сухого кислорода при температуре 1200°C и дозовой интенсивности стимулирующего гамма-излучения 0,5·10^-3 рад/с, что соответствует 0,4 мкГр/см²·c. Недостатками данного способа являются слишком высокая температура окисления и слишком низкая интенсивность стимулирующего гамма-излучения, что вызывает повышенную концентрацию дефектов в растущей пленке окисла и в результате низкую радиационную стойкость МОП-структур с данными окисными пленками. Кроме того, в прототипе в качестве источника стимулирующего гамма-излучения рассматривается только вода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения пленок диоксида кремния, обладающих повышенным пробивным напряжением и меньшей чувствительностью к ионизирующему излучению, что обеспечивает возможность создания МОП-транзисторов и интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью. Указанный технический эффект в предлагаемом изобретении достигается при использовании более широкого ряда материалов, создающих стимулирующее излучение.

Это достигается тем, что в известном способе радиационно-стимулированного термического окисления кремния, заключающемся в термическом окислении кремния в потоке кислорода при воздействии гамма-излучения, возникающего в камере окисления при распаде изотопов O¹⁵, создаваемых в гамма-контуре на основе линейного ускорителя электронов в циркулирующем в гамма-контуре веществе, содержащем атомы кислорода, окисление ведут при температуре не выше 1000°C, а плотность мощности дозы гамма-излучения в кремнии составляет не менее 2,35 мкГр/см²·с.

При этом в частном случае в качестве вещества, циркулирующего в гамма-контуре, используется деионизованная вода, создающая тепловой экран камеры окисления и скорость потока воды лежит в диапазоне от 0,2 до 2 л/мин.

При этом в частном случае в качестве вещества, циркулирующего в гамма-контуре, используется кислород, подаваемый в камеру окисления со скоростью от 0,5 до 2 л/мин.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе радиационно-стимулированного термического окисления под воздействием гамма излучения происходит разрыв слабых связей кремний-водород или кремний-гидроксид, всегда имеющихся в кремнии и растущей пленке диоксида. Также происходит разрыв слабых связей кремний-кислород, основная масса которых сосредоточена в тонком (≅3 нм) приграничном слое. При этом свободная связь атома кремния с большой вероятностью заполняется атомами кислорода, которые в процессе термического окисления постоянно диффундируют к границе раздела окисел-кремний, образуя связь Si-O. Если полученная связь оказывается прочной, с минимальной деформацией, то она меньше подвержена разрыву в случае воздействия ионизирующего излучения. Если же связь оказывается непрочной, то она повторно разрывается под действием стимулирующего гамма-излучения, и процесс повторяется. Таким образом, к моменту окончания радиационно-стимулированного окисления на границе раздела и в самом окисле присутствует значительно меньшее количество слабых связей вида Si-H, Si-OH, Si-O, подверженных разрыву, чем в случае обыкновенного, термического окисления. Соответственно, радиационная стойкость МОП структуры существенно возрастает.

Однородное поле стимулирующего гамма-излучения можно получить за счет потока активированной воды по гамма-контуру или путем активации атомов кислорода, подаваемого в камеру окисления и участвующего в реакции окисления кремния. Указанные в формуле диапазоны скоростей потоков активированного вещества обеспечивают необходимую дозовую интенсивность стимулирующего излучения. При выходе за нижний предел положительный эффект резко снижается, т.к. интенсивность стимулирующего излучения оказывается недостаточной. При превышении верхнего предела, видимо, слишком большая интенсивность стимулирующего излучения приводит к образованию новых дефектов в растущей пленке окисла, что снижает ее радиационную стойкость.

Таким образом, вся совокупность признаков способа радиационно-стимулированного термического окисления кремния обеспечивает получение окисных пленок, обладающих пониженной радиационной чувствительностью или более высокой радиационной стойкостью.

Пример реализации способа.

Способ может быть реализован в установке, схема которой представлена на чертеже на фиг.1. Источником первичного радиоактивного излучения является линейный ускоритель электронов (ЛУЭ) 1 с энергией до 30 МэВ. Пучок электронов направляется на металлическую мишень 2 из вольфрама. При поглощении электронов в мишени возникает тормозное гамма-излучение, которое используется для активации деионизованной воды, циркулирующей в гамма-контуре. Для этого в непосредственной близости от мишени располагается сосуд D активатор 3, через который протекает вода. Циркуляция обеспечивается насосом 4, а скорость потока измеряется и регулируется ротаметром 5. Высокоэнергетичные гамма-кванты тормозного излучения взаимодействуют в активаторе с атомами O¹⁶, содержащимися в воде с образованием радиоактивных изотопов O¹⁵.

Период полураспада изотопа O¹⁵ составляет 124 с. При распаде O¹⁵ образуется стабильный изотоп N¹⁵ и позитрон с энергией 1,72 МэВ. Позитрон мгновенно вступает в реакцию аннигиляции с электроном с выделением двух гамма-квантов с энергией 511 кэВ каждый. Этот процесс происходит во всем объеме гамма-контура. В гамма-контур включена создающая тепловой экран рубашка 6 охлаждения нагревательной камеры 7 установки термического окисления. При этом в объеме реактора 8 окисления создается однородное поле гамма-излучения. Малый период полураспада изотопов O¹⁵ обеспечивает отсутствие радиоактивного загрязнения и позволяет вынести установку термического окисления из активной зоны 9 ускорителя в «чистую» зону 10, отделенную железобетонной защитой 11.

Термическое окисление пластин кремния 12 проводят в потоке сухого кислорода высокой чистоты при температуре 1000°C. Кислород подается из баллона 13. Скорость потока кислорода измеряется и регулируется ротаметром 14. Для защиты от низкоинтенсивного гамма-излучения используется защитный экран 15 из свинца. Окисление проводится как в присутствии гамма-излучения, так и без него. Для окисления используются пластины кремния КЭФ 4,5 ориентации (100).

На фиг.2 показан частный случай схемы установки, также позволяющей осуществить предложенный способ. Отличие от предыдущего заключается в том, что в активатор 3 подается кислород из баллона 13, поступающий через ротаметр 14 в реактор 8 окисления. Радиоактивные изотопы O¹⁵, при распаде которых возникает стимулирующее гамма-излучение, образуются в газе - кислороде, используемом для окисления кремния.

Для проведения экспериментов были разработаны и изготовлены 11 партий тестовых МДП структур: партия 1 с окислом, выращенным по обычной технологии, и остальные партии с окислом, выращенным при воздействии низкоинтенсивного стимулирующего гамма-излучения в условиях, соответствующих формуле изобретения и выходящих за ее пределы. Толщина подзатворного окисла составляет 90 нм, время окисления при воздействии стимулирующего гамма-излучения 60 мин, а без излучения - 65 мин для получения одинаковой толщины окисной пленки. Металлизация получена магнетронным напылением алюминия А5Н толщиной 0,8 мкм. Рисунок в защитном окисле и металлизации получен методом фотолитографии.

Для определения качества полученных методом радиационно-стимулированного окисления пленок SiO₂ было проведено исследование свойств полученных МДП-структур. Измерялись плотность поверхностных состояний и пробивное напряжение. Плотность поверхностных состояний измерялась по наклону высокочастотных вольт-фарадных характеристик. Было установлено, что для окисла, выращенного при воздействии стимулирующего гамма-излучения в режимах, соответствующих формуле изобретения, плотность поверхностных состояний, составляет в среднем 5,3·10⁹ см^-2, а пробивное напряжение 67 В. Это соответственно примерно в 10 раз меньше и на 30% выше соответствующих параметров для партии 1 окисла, выращенного по стандартной технологии.

Для исследования радиационной чувствительности проводилось облучение образцов ионизирующим излучением. Источником ионизирующего излучения служил линейный ускоритель электронов РЭЛУС радиационно-ускорительной лаборатории НИЯУ МИФИ, имеющий аттестат годности для воспроизведения условий испытаний изделий микроэлектроники. Параметры ионизирующего воздействия: тип - тормозное гамма-излучение со средней энергией 2,2 МэВ; мощность дозы - 250 рад/с; величина накопленной дозы составила 100 крад (время облучения 400 сек). Критерием качества окисла служил сдвиг порогового напряжения МДП-структур после облучения, определяемый по сдвигу высокочастотных вольт-фарадных характеристик. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы, для партии 1 окисла, полученного в обычных условиях, сдвиг порогового напряжения составил около 1 В. В то время как для партий гамма-стимулированного окисла соответствующий показатель составляет не более 0.2-0,3 В. При скорости потока активированного вещества меньше указанных в формуле пределов, сдвиг порогового напряжения после облучения при испытаниях на радиационную стойкость резко повышается, что обусловлено снижением дозы поглощенного стимулирующего излучения в процессе окисления ниже 2,3 мкГр/см²·с. При выходе скорости потока активированного вещества за верхнюю границу указанного в формуле диапазона, сдвиг порогового напряжения после облучения при испытаниях на радиационную стойкость также повышается, но не очень резко. Это обусловлено тем, что при этих режимах начинает повышаться количество дефектов, создаваемых в растущей окисной пленке.

Из представленных данных видно, что электрофизические и радиационные характеристики окисла, выращенного при воздействии стимулирующего гамма-излучения, значительно превосходят характеристики стандартного окисла.

Список литературы

1. Патент России №2008745, МКП: H01L 21/318, 1991 г.

2. Соловейчик А.В. Радиационно-термическое окисление монокристаллического кремния. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. - Санкт-Петербург: РТП ИК "Синтез", 2003.

3. Симаков А.Б., Башин А.Ю. Радиационно-стимулированое термическое окисление кремния // Микроэлектроника, 2007, т.36, №1, с.62-65.