Вплив легування цинком на властивості МОН-структур

На рис. 2.2 проілюстроване витягування С-V-характеристики МОН-структури за рахунок поверхневого захопленого заряду. При високих частотах (wt>>1) заряд на по-верхневих станах не встигає за змінами тестуючої напруги. В цьому випадку вираз для значення С набуде вигляду:

С=СiCd/( Сi+Cd) (Ф/см2).

Високочастотна вольт-фарадна залежність МОН-структури, в яку не входить

ємність поверхневих станів Сs зображена на рис.2.2 штриховою лінією. Але і в цьому ви-падку поверхневі стани впливають на форму вольт-фарадної характеристики, зсовуючи ї вздовж осі напруг. При наявності зв'язаного поверхневого заряду вимагається відповідне збільшення заряду на металі.

По формі високочастотної вольт-фарадної залежності густина поверхневих станів визначаеться за допомогою виразу:

Dit=Ci[(dBs/dV)-1-1]/q-Cd/q (см/еВ)

Фіксований заряд в окислі Qf (звичайно додатній) розміщений на відстані ~3 нм від межі розділу Si-SiO2. Він не може збільшуватись або зменшуватись. Густина його знаходитьcя в діапазоні від 1010 до 1012 см-2 та залежить від режиму окислення і умов відпалу, а також від орієнтації підкладки. Виникнення Qf пов'язане безпосередньо з самим процесом окислення.

Рис. 1.2.3. Зміна С-V-кривих під впливом заряджених поверхневих станів.

Рис. 1.2.4. Зсув С-V-кривих вздовж осі напруг, зумовлений

додатнім або від'ємним фіксованим зарядом оксиду:

а) для напівпровідника р-типу;

б) для напівпровідника n-типу.

Припускається, що фіксований заряд Qf зумовлений або надлишковим (тривалентним) кремнієм, або надлишковим (не зв'язаним із загубленим одним електроном) киснем в приповерхневому шарі SiO2 . При аналізі електричних характеристик МОН-структур фіксований заряд Qf можна розглядати як заряджений шар, локалізований на межі розділу Si-SiO2.

На рис.1.2.4 приведені високочастотні вольт-фарадні залежності, зсунуті вздовж осі напруг в результаті наявності додатнього або від'ємного фіксованого заряду Qf на межі розділу. Положення цих кривих характеризує так званий зсув напруги плоских зон, визначеннй по відношенню до С-V -характеристики ідеальної МДН-структури з Qf =0.

Незалежно від типу провідності підкладки позитивний заряд Qf зсуває С-V-характеристику в бік від'ємних напруг зміщення, а від'ємний заряд Qf - в бік додатніх.

Характер впливу фіксованого заряду Qf на С - V -характеристики можна легко пояснити за допомогою рис. 1.2.5., де умовно показаний "поперечний переріз" МОН-структури з позитивним Qf при негативній напрузі зміщення.

Для повної електронейтральності структури необхідно, щоб кожний від'ємний заряд на ії металічному електроді компенсувався рівним за величиною та протилежним за знаком зарядом в діелектрику або в напівпровіднику. В ідеальній МДН-структурі Qf = О, та ця компенсація здійснюється тільки за рахунок заряду іонізованих донорів в збідненому шарі напівпровідника. В реальній МОН-структурі з позитивним Qf частина зарядів на металічному електроді компенсується фіксованим зарядом окисла, що приводить до відповідного зменшення глибини області збіднення в порівнянні з ідеальною.

МДН-структурою при цій же напрузі зміщення. Оскільки глибина області збіднення зменшується, вся С - V -крива зсувається по відношенню до ідеальної в бік від'ємних напруг при від'ємних Qf С -V - в протилежному напрямку. Абсолютна величина цього зсуву:

Vf=Qf/Ci.

Заряд, захоплений в шарі окислу, Q0t, приводить до зсуву С-V-характсристик МОН-структур. Цей заряд зумовлений структурними дефектами в шарі окислу. Пастки в окислі, як правило, нейтральні, але можуть заряджатися, захоплюючи електрони та дірки. На рис. 1.2.6 зображена зонна діаграма розподілу заряду, електричного поля та потенціалу в МОН-структурі, що містить як фісований заряд, так і заряд, захоплений в окислі. Зсув напруги, зумовлений зарядом, захопленим в окислі, записується у вигляді:

V0t=Q0t/Ci=1/ Ci[1/dx0t(x)dx],

Рис. 1.2.5. Вплив фіксованого заряду окислу на властавості МДН-структур.

Рис. 1.2.6. МДН-структура з фіксованимта захопленим в оксиді зарядами:

а) зонна діаграма;

б) розподіл заряду;

в) електричне поле;

г) потенціал.

Де Q0t - ефективна поверхнева густина цього заряду, приведена до одиниці площі межі розподілу Si-SiO2; 0t - істинна об'ємна густина заряду, захопленого в окислі.

Результуючий зсув напруги плоских зон Vfb, зумовлений всіма компонентами зарфду в окислі:

Vfb=Vf+Vm+V0t=Q0/Ci,

де Q0= Qf+ Qm+ Q0t - сума відповідних ефективних зарядів на одиницю площі роз-поділу Si-SiO2.

В ідеальній МДН-структурі різниця роботи виходу електрона з металу і напівпровідника дорівнює 0:

ms=m-(x+Eg/2q-b).

Якщо ця різниця відмінна від 0, а крім того, в діелектрику МДН-структури присутній заряд Q0, С-V-характеристики реальної МДН-структури будуть зсунуті вздовж осі напруг відносно ідеальної С -V -кривої на величину:

Vfb=ms- Q0/Сi=ms-( Qf+ Qm+ Q0t)/Ci,

що називається зсувом напруги плоских зон.

Встановлено, що ширина забороненої зони SiO2 приблизно дорівнює 9 еВ, а спорідненість до електрону qXi=0.9 еВ. Робота виходу з металу в МОН-структурах |звичайно визначається за результатами фотовідклику або вольт-фарадних характерик.

Висота енергетичного бар'єру на межі Si-SiO2 практично не залежить від кристалічної орієнтації підкладки (в межах похибки 0.1еВ)

Різниця робіт виходу ms може складати відчутну міру спостережуваного зсуву напруг плоских зон МОН-структури, і тому її необхідно враховувати при оцінках величини фіксованого заряду окисла за зсувом С-V -характеристик.

1.3. ГЕТЕРУВАННЯ ДЕФЕКТІВ В ТЕХНОЛОГІЇ НАПІВПРОВІДНИКОМ ВИХПРИЛАДІВ.

Однією з найважливіших задач напівпровідникової електроніки є забезпечення високої міри чистоти та досконалості кристалічної структури напівпровідникових ма-теріалів, що використовують для виробництва дискретних приладів та інтегральних мікросхем.

Сучасна технология забезпечує отримання практично бездислокаційних монокристалів напівпровідників. Але при цьому різко зростає роль точкових дефектів-вакансій, домішкових атомів та їх кластерів. При відсутності дислокацій, що є стоком для точкових дефектів, в ході технологічного процесу виготовлення приладів відбувається постійне збільшення концентрації вакансій та небажаних домішок натрію, калію, міді, золота та ін., в напівпровідниковому матеріалі. Наявність точкових дефектів і їх кластерів приводить до погіршення характеристик напівпровідникового матеріалу, дегра-дації параметрів приладів, сприяє утворенню структурних дефектів при термічній об-робці.

Для уникнення небажаного впливу точкових дефектів розроблені методи, що дозволяють нагромаджувати їх в неробочих ділянках пластин або взагалі виводити їх з пластин напівпровідника. Процес виводу та дезактивації дефектів прийнято називати гетеруванням. Цей термін вперше введений Готцбергом і Шоклі по аналогії з геттером в ва-куумних лампах, що використовується для зняття слідів залишкових газів при отриманні високого вакууму. В застосуванні до напівпровідникової технології під гетеруванням розуміють:

* очистку об'єму напівпровідника від швидкодифундуючих домішок;

* попередження утворення центрів зародження структурних дефектів;

* скорочення раніше утворених структурних дефектів шляхом спрямованого руху точ-кових дефектів.

Для гетерування дефектів необхідно забезпечити рухливість точкових дефектів, звідси будь-який метод гетерування включає термообробку, температура та тривалість якої достатні для дифузії точкових дефектів із областей пластини, де формуються при-лади, в область гетера. Існуючі методи можуть бути умовно розділені на три основні групи, в яких гетерування здійснюється за допомогою:

* шару напівпровідникового матеріалу з порушеною кристалічною структурою;

* нанесеного гетеруючого шару;

* термообробки в спеціальному середовищі.

Одним з методів термообробки в спеціальному середовищі є термічне окислення кремнію в хлормісткому середовищі,

Відомо, що додавання незначної кількості (0.1%...6%) хлору або його сполук в окислюючу атмосферу приводить до зменшення заряду і дефектів в окислі, зниженню густини поверхневих станів на межі поділу кремній-діоксид кремнію, підвищенню про-бивної напруги та стабільності МОН-струкгур і т.ін.

Крім покращення властивості окислу при “хлорному" окисленні відбувається значне покращення властивостей кремнію, на декілька порядків зростає час життя не-основних носіїв, зменшується кількість дефектів пакування, покращуються параметри напівровідникових приладів.

Вивчення механізму гетерування при "хлорному" окисленні засвідчило, що покра-щення параметрів кремнію та виготовлених з нього приладів пов'язане з нейтралізацією небажаного впливу домішок лужних, перехідних та важких металів, які, взаємодіючи з хлором, або вилучаються з поверхні кремнію у вигляді летючих сполук, або перетво-рюються в нейтральні комплекси, що вже не впливають на характеристики приладів. Домішки золота та металів платинової групи важко гетеруються хлормісткою атмосфе-рою, що, напевно, пов'язано з термодинамічною нестабільністю хлоридів при високих температурах.

Застосування хлору та хлористого водню при термічному окисленні ускладнюється через високу реакційну здатність цих реагентів. Тому досліджувалась можливість їх заміни іншими, менш хімічно активними газами, наприклад трихлоретаном, чотирихлористим вуглецем, трихлоретиленом, що за своєю дією на окисел подібні до хлору або хлористого вуглецю. Найефективнішими та безпечними в експлуатації є трихлоретан та трихлоретилен. На рис.1.3.1. показана схема установки для окислення пластин з використанням трихлоретилену. При високій температурі трихлоретилен розпадається з утворенням цілого ряду продуктів:

4С2HCl3+9O2 2Н2О+6Сl2+8CO2

2H2O+2Cl24HCl+O2

Наявність води в продуктах піролізу трихлоретилену приводить до збільшенняшвидкості росту окислу, а присутність хлору і хлористого водню забезпечує гетерування домішок металів.

Експериментально встановлено, що окислення з добавками трихлоретилену покращує параметри МОН-структури, знижує струми втрат діодів, зменшує густину та розмір окислювальних дефектів пакування, причому збільшення концентрації трихлоретилену приводить до зменшення розмірів дефектів пакування, особливо помітному при високій температурі окислення

Рис. 1.3.1. Схема установки термічного окислення кремнієвих пластин:

1 -пластини; 2-барботер; 3 - термостат; 4 - реакційна камера.

(рис. 1.3.2). При певному співвідношенні температури окислення та концентрації трихлорстилену можна повністю уникнути появи утворення окислювальних дефектів пакування (рис. 1.3.3.).

Додавання невеликої кількості трихлоретилену дозволяє погасити утворення окислювальних дефектів пакування не лише в процесі "хлорного" окислення, а й при наступному звичайному окисленні в сухому кисні після зняття "хлорного" окислу. Це безпосередньо вказує на те, що в процесі обробки в хлормісткому середовищі відбувається гетерування центрів зародження дефектів пакування.

Одним із методів гетерування дефектів в плівках SiO2 на поверхні кремнієвої пластини є введення в ядра дислокацій домішкових атомів, що гальмують рух дислокацій під дією термомеханічних навантажень в процесі росту оксидної плівки. В цьому випадку незавершені зв'язки дислокацій та підкладки заповнюються валентними електронами домішкових атомів, в результаті чого зменшується рухливість дислокацій та гальмується один із механізмів утворення пор в плівках SiO2.

Рис. 1.3.2. Залежність розмірів окислюваних дефектів упаковки від витрат азоту, який пропускають через барботер з трихлоретиленом:

1 - температура окислення 1373 К, тривалість окислення 1 год.;

2 - температура окислення 1373 К, тривалість окислення 2 год.;

3 - температура окислення 1473 К, тривалість окислення 15 хв.;

4 - температура окислення 1473 К» тривалість окислення 1 год.

Рис. 1.3.3, Залежність температури окислення, при якій відсутні окислювані дефекти упаковки, від співвідношення концентрацій трихлоретилену та кисню в окислюваній атмосфері.

Висновки та постановка завдань досліджень.

Сучасний рівень щільності пакування елементів ІС вимагає високої суцільності плівок у взаємозв'язку з необхідними електрофізичними параметрами елементів та їх стабільнісію. Це вимагає розробки нових і вдосконалення відомих технологічних процесів виготовлення ІС, які дозволили б забезпечити; необхідний рівень Їх якості. Зокрема, як видно з літературного огляду, один з напрямків вказаних робіт - це розробка і всестороннє дослідження методів гетерування дефектів матеріалів електронної техніки, які є складовими частинами ВІС.

Методи домішкового гетерування на сьогодні є на стадії досліджень і апробацій, хоча перші відомі з літератури результати вказують на їх перспективу при використанні в області технології мікроелектроніки. Однак, впровадження їх у виробництво неможливе без оптимізаціі параметрів технологічного процесу за багатьма факторами, до складу яких входять: суцільність плівок, параметри ОПЗ, межі розділу діелсктрик-напівпровідник, зарядових характеристик діелектрика і вивчення впливу на них зовнішніх умов які можуть проявлятися при роботі приладів. До них відносяться термопольові і радіаційні навантаження структур.

Метою даної роботи е оптимізація процесу домішкового гетерування дефектів плівок термічного діоксиду кремнію та встановлення області концентрації домішки, яка забезпечила б його найефективніше використання.

Для досліджень найкраще вибрати традиційні методи руйнуючого та неруйнуючого контролю параметрів МДН-структур, які пройшли широку апробацію не тільки в науко-вих установах, але й на підприємствах електронної техніки. Це, зокрема, відомі методи дослідження суцільності плівок і дислокаційної структури підкладки, вольт-фарадний та ємнісно-часовий методи дослідження електрофізичних характеристик, як діелектрика, так і межі розділу. Безумовно, достовірність результатів досліджень підтвердили б дослідження параметрів структур після радіаційно-термічної обробки, які дозволили б суттєво скоротити час оптимізащї технологічного процесу.

Завданням даного дипломного проекту є вивчення вище згаданими методами впливу легування діелектрика і межі розділу на характеристики МОН-структур для з'ясування можливостей їх покращення.

Завдання досліджень дипломного проекту :

1. Вивчити та засвоїти технологію одержання МОН-структур з легуванням в процесі росту;

2. Опанувати методи вимірювання вольт-фарадних і фарадно-часових характеритик та розрахунку за ними основних параметрів МОН-структур;

3. Вивчити вплив легування на характеристики структур;

4. Зробити висновки за отриманими результатами і оцінити можливість практичного використання структур з легованим діелектриком.

2. Методика експерименту

2.1. Методика вирощування плівок термічного SiO2 з одночасним легуванням в процесі росту.

Плівки диоксиду кремнію вирощували в стандартній проточній системі схема якої приведена на рис.2.

Страницы: 1, 2, 3