(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 165024 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 290701 (22) Data zgłoszenia: 17.06.1991 (51) IntCl5: H01L 21/66 H01L 29/94 H01L 21/302 (5 4 ) Sposób zmiany napięcia progowego tranzystora MOS (43) Zgłoszenie ogłoszono: 11.01.1992 BUP 01/92 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.11.1994 WUP 11/94 (72) Twórcy wynalazku: Danuta Brzezińska, Warszawa, PL Henryk Przewłocki, Warszawa, PL PL 165024 B1 (57) 1. Sposób zmiany napięcia progowego tranzystora MOS z bramką jednoskładnikową, znamienny tym, że gotową strukturę z tranzystorami MOS o określonej barierze potencjału na granicy bramka -dielektryk poddaje się dodatkowemu wygrzewaniu w temperaturze T>400 C, w atmosferze ochronnej gazu formującego wodoru lub azotu przez czas tak dobrany, aby bezwzględna wartość przyrostu bariery potencjału była stała. Fig 1

Sposób zmiany napięcia progowego tranzystora MOS Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zmiany napięcia progowego tranzystora MOS z bram ką jednoskładnikową, znamienny tym, że gotową strukturę z tranzystorami MOS o określonej barierze potencjału na granicy bram ka -dielektryk poddaje się dodatkowemu wygrzewaniu w tem peraturze T > 400 C, w atmosferze ochronnej gazu formującego wodoru lub azotu przez czas tak dobrany, aby bezwzględna wartość przyrostu bariery potencjału była stała. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla struktur z tranzystorami o bramce aluminiowej dodatkowe wygrzewanie prowadzi się w temp. T = 450 C w czasie 0,5 < t < 2,5 godziny. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla struktur z tranzystorami o bramce aluminiowej dodatkowe wygrzewanie prowadzi się w temperaturze 500 C w czasie 6 < t < 20 minut. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla struktur z tranzystorami o bramce złotej dodatkowe wygrzewanie prowadzi się w temperaturze 400 C < T < 450 C przez czas 3 < t < 15 minut. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób zmiany napięć progowych w gotowych strukturach MOS przez obróbkę termiczną tych struktur. Wartość napięcia progowego tranzystora MOS zależy od kilku czynników, a wśród nich od tzw. napięcia wyprostowanych pasm VFB. Napięcie wyprostowanych pasm V f b jest to takie napięcie bram ki, przy którym pasm a energetyczne w półprzewodniku nie wykazują zagięcia (są wyprostowane) w pobliżu powierzchni granicznej półprzewodnik - dielektryk. Wartość napięcia VFB wyraża się wzorem: V FB = ɸ MS - Q e e f/ C 1 gdzie Qeef jest ładunkiem efektywnym układu półprzewodnik -dielektryk, C1jest pojemnością warstwy dielektryka, a ɸMS nazywane było najczęściej kontaktową różnicą potencjałów (KRP) pomiędzy bramką a podłożem struktury MOS. W pracy H. M. Przewłockiego pt. Opracowanie metod badania kontaktowej różnicy potencjałów i parametrów ładunkowych struktur MOS" (sprawozdanie wew. ITE, 1990 r) wykazano, że współczynnik ɸMS nie może być identyfikowany z KRP w strukturach MOS, gdyż nie jest on wielkością podstawową, wynikającą wyłącznie z właściwości fizycznych bramki i podłoża, lecz pewną wartością efektywną, silnie zależną od rozkładu ładunków w dielektryku. Dlatego zaproponowano by współczynnik ɸMS był nazwany zmodyfikowaną lub efektywną k o n taktową różnicą potencjałów (ZKRP lub EKRP) pomiędzy bramką a podłożem struktury MOS. Udział ɸMS i Q e e f/ C 1 w wartości V FB zmieniał się na przestrzeni ostatnich 20-tu lat skutkiem wprowadzania nowych technologii struktur MOS oraz w wyniku zmniejszania się rozmiarów poszczególnych elementów układów scalonych MOS. W wyniku doskonalenia technologii układów scalonych MOS (wzrost C1, malenie Qeef) osiągnięty został obecnie taki stan, w którym wartość współczynnika ɸMS ma decydujące znaczenie dla wartości napięcia wyprostowanych pasm V f b. Pomimo takiego stanu rzeczy, do niedawna niewiele było wiadomo o naturze fizycznej współczynnika ɸMS i o zależności jego wartości od technologii wytwarzania struktury MOS. Waratości ɸMS określone i opublikowane przez różnych autorów dla struktury AL-SiO2-Si różnią się znacznie pomiędzy sobą i tak na przykład dla podłoża typu N, różnica wartości ɸMS wynosi ponad 0,45 V. Taka niepewność dotycząca wartości ɸMS znacznie przewyższa dopuszczalne tolerancje waratości napięcia progowego we współczesnych układach scalonych MOS (tolerancje te mogą na przykład wynosić ± 0,05V. Opisywana tu wartość ɸMS zależy od koncentracji domieszkowania podłoża. Czasami, szczególnie wtedy gdy chodzi o porównanie wartości EKRP dla struktur MOS wykonywanych na różnie domieszkowanych podłożach,

165 024 3 wygodnie jest używać tak zwanej zredukowanej efektywnej kontaktowej różnicy potencjałów (ZEKRP) - oznaczonej ɸxMS - danej wyrażeniem: ɸXMS ɸM-X gdzie ɸM jest wysokością bariery na granicy bramka -dielektryk, a X powinowactwem elektronowym półprzewodnik -dielektryk. Pomiędzy wartościami ɸMS i ɸxMS zachodzi związek ɸXMS = ɸMS + E G / 2 q + ɸ F gdzie EG/2q jest potencjałem, odpowiadającym połowie pasma zabronionego półprzewodnika, a ɸF jest potencjałem Fermiego w półprzewodniku. Do badania wpływu warunków procesu technologicznego na ɸMS okazała się być bardzo przydatna fotoelektryczna metoda pomiaru ɸMS opisana w pracy S. Krawczyka, H. M. Przewłockiego, A. Jakubowskiego pt. New ways to measure the work function difference in MOS structures" (Rev. Phys. Applique 17, (1982), 473). Metoda ta opiera się na pojęciu i na pomiarze napięcia V g o czyli takiego napięcia bramki, przy którym spadek napięcia na dielektryku struktury MOS jest równy zero (ɸ = 0). Można wykazać, że dla struktur MOS z silnie domieszkowanym podłożem zachodzi równanie: VGO ɸMS Jeżeli więc zmierzy się wartość V GO wówczas w prosty sposób określi się ɸMS. Wartość potencjału bram ki VGO określa się metodą fotoelektryczną. Kondensator MOS z półprzezroczystą bramką oświetlany jest światłem UV, które powoduje, że zarówno z bramki jak i z podłoża następuje fotoinjekcja elektronów do pasma przewodnictwa dielektryka. Przepływ tych elektronów przez strukturę MOS tworzy prąd bramki Ig, który można zmierzyć w obwodzie zewnętrznym. Prąd ten zmienia się w zależności od potencjału bram ki Vg i przechodzi przez zero d la ɸ = 0 tzn. d la VG = VGO. Zmieniając więc potencjał bramki w taki sposób aby otrzymać IG = 0 w obwodzie zewnętrznym, znajduje się wartość VGO. Dzięki zastosowaniu metody fotoelektrycznej, z uproszczeniami, dokonano pomiarów licznych struktur Metal-SiO2-Si z półprzezroczystą bramką (ok. 80 000 struktur) obserwując wpływ parametrów materiałowych i technologicznych na wartość ɸ MS. Wyniki tych pomiarów przedstawiono w pracy H. M. Przewłockiego, D. Brzezińskiej pt. Influence of post m etallization annealing on the contact potential difference in MOS structures" (Invited paper. Proc. V Int. W orkshop Phys. Semicond. Devices, New Delhi, India 1989 r.). Istnieje zależność współczynnika ɸMS od procesu wygrzewania pometalizacyjnego (PMA) różnych materiałów bramki. Sposób zmiany napięcia progowego tranzystora MOS z bram ką jednoskładnikową według wynalazku, polega na tym, że gotową strukturę z tranzystorami MOS o określonej barierze potencjału na granicy bramka -dielektryk poddaje się dodatkowemu wygrzewaniu. Wygrzewanie to prowadzi się w temperaturze T > 400 C, w atmosferze ochronnej gazu formującego, wodoru lub azotu. Czas wygrzewania jest tak dobrany, aby bezwzględna wartość przyrostu bariery potencjału była stała. W przypadku struktur z tranzystoram i o bramce aluminiowej dodatkow e wygrzewanie prowadzi się w temp. T = 450 C w czasie 0,5 < t < 2,5 godz. Możliwe jest także dla bramek aluminiowych wygrzewanie w temp. T = 500 C w czasie 5 < t < 20 minut. W przypadku struktur z tranzystorami o bramce złotej dodatkowe wygrzewanie prowadzi się w temp. 400 C < t < 450 C przez czas 3 < T < 15 minut. Zaletą proponowanego sposobu jest to, że umożliwia on zmianę napięcia progowego tranzystorów MOS w gotowych strukturach MOS. Inne znane dotychczas sposoby regulacji napięcia progowego stosowane są w trakcie procesu technologicznego, zanim określona zostanie wartość napięcia progowego tranzystorów. Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, którego fig. 1 pokazuje zmianę wartości współczynnika ɸMSX (gdzie ɸXMS ɸM-X) w fukcji czasu PMA, dla struktur z bramką aluminiową (Al-SiO2-Si), a fig. 2 z bramką złotą

4 165 024 (Au-SiO2-Si). Na fig. 3 jest pokazany schemat pasmowy struktury MOS przed i po procesie wygrzewania. Zgodnie z fig. 1. wynik odpowiadający 0 na osi czasu, otrzymuje się po przeprowadzeniu standardowego PMA (T = 450 C, t = 30 min., atmosfera: H 2). Kolejne wartości ɸXMS określa się metodą fotoelektryczną, po kolejnych cyklach PMA w atm osferze wodoru, w temperaturze T = 450 C, aż do rozpuszczenia się" bramek Al. Odcinkami pionowymi zaznaczono odchylenia standardowe Q1 rozkładów wartości ɸXMS na jednej płytce krzemowej. Proces dodatkowego wygrzewania można przeprowadzić dla innych temperatur w zakresie 400 C-500 C, wyznaczając doświadczalnie, analogicznie jak dla temperatury 450 C, dodatkowe czasy wygrzewania. Zgodnie z fig. 2, rysunku pokazującym zależność wartości ɸXMS od czasu PMA dla struktur Au-SiO2-Si, wynik odpowiadający 0 na osi czasu otrzymuje się dla struktur nie poddawanych żadnym wygrzewaniom po procesie metalizacji. Pionowymi odcinkami zaznaczono ochylenia standardowe Q1 w arto ści ɸXMS na poszczególnych płytkach krzemowych. O charakterze zmian ɸXMS w funkcji czasu PMA, decydują zmiany wysokości bariery potencjału ɸMS na granicy bram ka - SiO2. Zmiany te są wynikiem reakcji chemicznych zachodzących na tej granicy, w trakcie procesu PMA. Reakcje te bowiem, zmieniają moment warstwy dipolowej występującej na powierzchni granicznej, wpływając w ten sposób na wysokość bariery potencjału na granicy bramka - SiO 2 jak pokazuje fig. 3. W przypadku układu Al-SiO2 obserwuje się znaczny wzrost wysokości bariery potencjału na powierzchni granicznej, wywołany reakcjami chemicznymi zachodzącymi w trakcie procesu PMA. Ten wzrost wysokości bariery do wartości ɸ'M' jest przyczyną obserwowanego na fig. 1. wzrostu wartości ɸMS. W przypadku układu AU-SiO2 jak na fig. 2 obserwuje się zmniejszenie wysokości bariery spowodowane prawdopodobnie zmianą rozkładu ładunku w warstwie SiO2. Figura 3 pokazuje schemat pasmowy struktury MOS przy dowolnym potencjale bramki VG względem podłoża, gdzie ɸM - wysokość bariery potencjału na granicy bram ka - dielektryk, ɸ'M' -wysokość tej bariery po PMA, X - powinowactwo elektronowe półprzewodnik - dielektryk, ɸ1 -spadek potencjału w warstwie dielektryka, ɸs - potencjał powierzchniowy półprzewodnika.

165 024 Fig. 3

165024 Fig. 1 Fig. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł