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Metal-nitride-oxide-silicon field-effect transistors, with self-aligned gates

1968; Elsevier BV; Volume: 11; Issue: 7 Linguagem: Francês

10.1016/0038-1101(68)90067-1

1879-2405

J. C. Sarace, Richard Kerwin, D. L. Klein, Ryan C. Edwards,

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis

Silicon insulated-gate field-effect transistors (FETs) have been fabricated by processes involving relatively non-critical photoresist and self-limiting etching steps. Important features of the method include the formation of the gate insulator under extremely clean conditions, incorporation of an alkali ion barrier (silicon nitride) to achieve stable device characteristics and automatic alignment of the gate electrode with respect to source and drain. The gate insulator, comprising 600 Å of grown silicon dioxide covered with 400 Å of silicon nitride, is formed at the beginning of fabrication. Thus, the SiSiO2 interface is established at a point where the best state-of-the-art cleaning techniques can be applied to the starting material. A thick (8000 Å) layer of SiO2 is pyrolytically deposited over the nitride to minimize contact capacitances in the finished structure. This must be removed from the active device region, and advantage is taken of the difference in etch rate between SiO2 and silicon nitride to ensure a well-controlled gate insulator thickness. Thus the nitride layer serves the dual function of providing a barrier to mobile ions in the completed structure, and of acting as an etch-resistant layer during fabrication to achieve control over geometry. A polycrystalline layer of silicon is used to form the gate electrode, which is shaped early in the process, and is used to define the limits of the source and drain windows. This aspect of the fabrication assures self-alignment of the gate electrode with respect to source and drain. During the diffusion of source and drain regions the polycrystalline silicon is rendered sufficiently conductive that no metallization of the gate electrode is required, except at one end for contacting purposes. This eliminates the need for a critical photoresist alignment. Both n and p induced-channel (enhancement) devices have been made with this process. Turn-on voltages at 10 μA drain current of +1.35 V (n-channel) and −2.6 V (p-channel) with less than 12 per cent spread over a slice were obtained. Analysis of the device characteristics indicates field-effect mobilities of 335 and 233 cm2/V-sec for the n- and p-channel devices respectively. Aging behavior under bias at 300°C indicates the presence of residual mobile positive charge of the order of 1.5 × 1011 charges/cm2, resulting in turn-on voltage shifts of less than 1 V over several hundred hr with +10 V applied to the gate. Les transistors d'effet de champ à porte isolée ont été fabriqués par des procédés comprenant des étapes de corrosion auto-limitatives et une photo-résistance non-cubique. Parmi les importantes caractéristiques de la méthode sont inclues la formation de l'isolement de porte sous des conditions extrèmement propres, l'incorporation d'une barrière alcaline d'ion (silicium nitré) pour pouvoir atteindre des caractéristiques de dispositif stable et un alignement automatique de l'électrode de porte par rapport à la source et au drain. L'isolement de porte, comprenant 600 Å de bioxide de silicium développé couvert le 400 Å de silicium nitré est formé au début de la fabrication. Donc, l'interface SiO2Si est établi à un point où les techniques de nettoyage les plus avancées peuvent être appliquées au matériau de départ. Une épaisse couche (800 Å) de O2Si est deposée pyrolitiquement sur l'azotate pour minimiser les capacités de contact dans la structure finale. Celle-ci doit être retirée de la région active du dispositif et on profite de la différence du taux de corrosion entre l'O2Si et le silicium nitré pour assurer une épaisseur d'isolement de porte bien contrôlée. Ainsi, le couche nitrée sert de double fonction pour fournir une barrière aux ions mobiles dans la structure complétée, et d'agir comme couche resistante à la corrosion durant la fabrication pour contrôler la géométrie. Une couche polycristalline de silicium est employée pour former l'électrode de porte, qui est formée tôt dans le procéde, et est utilisée pour definir les limites des fenêtres de source et de drain. Cet aspect de la fabrication assure l'autoalignement de l'électrode de porte par rapport à la source et au drain. Durant la diffusion des régions de source et drain, le silicium polycristallin est rendu suffisamment conductif pour rendre inutile la métallisation de l'électrode de porte à l'exception d'une borne nécessaire au contact. Ceci élimine la nécessité de l'alignement critique de la photo-résistance. Des dispositifs n et p à canal induit (accru) ont été faits par ce procédé. Des tensions de travail, à un courant de drain de 10 μA, de +1,35 V (canal n) et −2,6 V (canal p) ayant une extension inférieure à 12 pour cent le long d'une tranche ont été obtenues. L'analyse des caractéristiques du dispositif indiquent des mobilités à effet de champ de 335 et 233 cm2/V sec pour les dispositifs à canaux n et p respectivement. Le comportement de longévité à polarisation à 300°K indique la présence de charges positives mobiles résiduelles de l'ordre de 1,5 × 1011 charges/cm2 résultant en un déplacement de tension de travail inférieur à 1 volt durant plusieurs centaines d'heures quand une tension de +10 V est appliquée à la porte. Silizium-Feld-Effekt-Transistoren mit isolierter Steuerelektrode wurden unter Verwendung unkritischer Arbeitsgänge wie Photoresist- und selbstbegrenzenden Ätzschritten hergestellt. Bedeutsame Merkmale der Methode bestehen in der Einhaltung extrem reiner Bedingungen bei der Bildung der Isolation für die Steuerelektrode, Einbau einer Alkali-Ionen-Barriere (Siliziumnitrid) zur Erzielung stabiler Kenngrössen und automatisches Einrichten der Steuerelektrode zwischen Quell- und Saugelektroden. Die Isolation der Steuerelektrode, bestehend aus 600 A° gewachsenem Siliziumdioxyd bedeckt von 400 A° Siliziumnitrid, wird zu Beginn der Fabrikation hergestellt. Indem die SiSiO2-Grenzfläche schon am Ausgangsmaterial gebildet wird, lassen sich dabei die bestbekannten Reiningungstechniken anwenden. Eine dicke (8000 A°) SiO2-Schicht wird pyrolytisch über dem Nitrid abgeschieden um die Kontaktkapazitäten der Endstrutkur möglichst klein zu halten. Diese Schicht muss von den aktiven Zonen wieder entfernt werden. Dabei wird der Unterschied in der Ätzgeschwindigkeit zwischen SiO2 und Siliziumnitrid dazu ausgenützt um die gewünschte Isolationsdicke sehr genau einzustellen. Die Nitridschicht hat also eine zweifashe Funktion. Sie stellt in der fertigen Struktur eine Barriere für bewegliche Ionen dar und wirkt während der Fabrikation als ätzresistente Schicht um die angestrebte Geometrie zu kontrollieren. Eine polykristalline Siliziumschicht dient als Steuerelektrode. Sie wird früh im Herstellungsprozess geformt und begrenzt die Fenster für Quell- und Saugelektroden. Dadurch ist die selbstständige Einpassung der Steuerelektrode zwischen Quell- und Saugelektroden gewährleistet. Während der Diffusion der Quellund Sauggebiete erhält das polykristalline Silizium eine genügende Leitfähigkeit, so dass keine Metallisierung der Steuerelektrode erforderlich ist, ausser an einem Ende für Kontaktzwecke. Dadurch entfällt eine kritische Photoresist-Justierung. Sowohl Elemente mit n- als auch mit p-Anreicherungsschichten sind mit diesem Prozess hergestellt worden. Bei 10 A Saugstrom wurden Einsatzspannungen von 1,35 V (n-Channel) und −2,6 V (-p-Channel) mit weniger als 12 prozent Streuung über eine Scheibe erhalten. Die Analyse der Kennlinien gibt Feldeffekt-Beweglichkeiten von 335 und 233 cm2/Vsec für die n-bzw. p-Channel-Elemente. Das Alterungsverhalten unter Vorspannung bei 300°C gibt eine bewegliche positive Restladung von der Grössenordnung 1,5.1011 Elementarladungen/cm2 zu erkennen. Nach mehreren 100 Stunden unter 10 V Steuerspannung ergaben sich Verschiebungen der Einsatzspannungen von weniger als 1V.