Вплив легування цинком на властивості МОН-структур

Навіть приготування вихідного розчину ZnCl2 в деіонізованій воді має свої особливості. Незважаючи на високу гігроскопічність солі, в процесі гідролізу хлориду цинку спостерігається помутніння розчину, виділення нерозчинного осаду, який знаходиться у зваженому стані. Після фільтрування розчину ми провели цикл досліджень його складу використовуючи для визначення концентрації іонів цинку комплексометричний метод [11], а для визначення концентрації іонів хлору аргентометричний метод [12]. З'ясовано, що для повного розчинення солі і отримання гомогенного прозорого розчину необхідно, щоб молярне співвідношення іонів хлору до іонів цинку складало 1,012. Вказане співвідношення зберігалося для діапазону концентрацій ZnCl2 до 5% маси.

Тому доцільніше використовувати метод миттєвого випаровування, що полягає в подачі в реактор попередньо підготованого розчину та випаровування його в буферному циліндрі. Температуру буферного циліндра вибирали значно вищою від температури кипіння як води, так і хлориду цинку, а теплоємність його суттєво перевищувала теплоємність розчину, що подається через капіляр. Тому випаровування проходить миттєво і його склад відповідає складу газової фази у реакторі.

При отриманні легованих плівок диоксиду кремнію в середовищі сухого кисню, у буферний циліндр поміщали наважку попередньо розрахованої маси оксиду цинку. В реактор подавалась суміш кисню та хлориду водню. Хлорид водню взаємодіяв з оксидом цинку за реакцією:

2HCl+ZnO=ZnCl2+H2O

Температура зони, в яку поміщалась наважка, обиралась вищою від температури кипіння хлориду цинку, тому продукти реакції були газами при температурах технологічного процесу. Таким чином, процес окислення відбувався з одночасним легуванням плівки диоксиду кремнію введеною в реактор домішкою.

Температуру процесу окислення обирали та підтримували за допомогою блоку регулювання та підтримування температур, яке здійснювалося пропорційним інтегрально-диференціальним регулятором. Процес завантаження-вивантаження пластин в реактор тривав не менше 5 хвилин для уникнення термоударів пластин та генерації при цьому дислокацій за рахунок термомеханічних навантажень.

2.2. Визначення параметрів технологічного процесу.

Для проведення досліджень параметрів структур Si-SiO2 необхідно отримати плівки заданої товщини, яка співрозмірна з товщиною діелектрика напівпровідникових приладів. Оптимізацію ефективності процесу гетерування необхідно проводити шляхом вивчення впливу концентрації легуючої домішки на параметри структур.

Для зменшення об'єму емпіричних досліджень вирощування плівок проведено розрахунок температурно-часових характеристик технологічного процесу отримання плівок SiO2 заданої товщини при різному складі парогазового середовища в реакторі. В якості вихідних використали відомі з літератури [10] залежності швидкості росту оксидних плівок на монокристалічному кремнії в атмосфері або зволоженого кисню, або парах води з вмістом хлориду водню, які найближчі до досліджуваного в даній роботі процесу гетерування дефектів плівок SiO2. Це визначається тим, що в ньому в склад окислювального середовища вводять хлорид цинку, тобто, він є, в якійсь мірі, аналогом відомого з літератури процесу хлорного окислення. Тому тут використані такі стандартні рівняння:

1. d2=4.16*103p1.6t exp(-1.7/kT) - в парах води (16);

2. d=1.4*103p0.8t exp(-1.7/kT) - в сухому кисні (17),

де d - товщина плівки [нм];

t - час [с];

T - температура [К];

k - постійна Больцмана.

При розрахунках товщину плівки підзатворного діелектрика задавали в межах від 50 до 150 нм. З умов проведення експерименту загальний тиск в системі приймали рівним атмосферному. Температуру процесу окислення задавали в межах від 950 до 1100С з кроком 50С. Для розрахунків використовували програмний пакет “Maple 6”.

Результати розрахунків приведені в табл. 1

2.3 Методика досліджень дефектності діелектричних плівок.

Методи дослідження дефектності плівок розробляли виходячи з особливостей структури, кількості, розмірів та розміщення дефектів у матеріалі. При чому, в залежності від характеристик об'єкту досліджень, методи досліджень суттєво відрізняються між собою [10].

В діелектричних плівках виробів електронної техніки пори проявляються як поодинокі небажані дефекти. Пори в плівках мають, як правило, субмікронні розміри і безпосередньо не виявляються оптичними приладами.

Методи дослідження дефектності, зокрема пористості діелектричних плівок виробів електронної техніки описані в [10]. Проведемо їх аналіз. За дією на об'єкт досліджень їх можна поділити на дві групи: руйнуючі і неруйнуючі. Суцільною рисою всіх методів є фіксація місця розміщення пори на поверхні і наступні металографічні дослідження.

Неруйнуючі методи:

а) одним з методів виявлення дефектних місць у діелектричній плівці на монокристалічній напівпровідниковій підкладці є “бульбашковий” метод: підкладку занурюють в електролітичний розчин і освітлюють її поверхню. До підкладки прикладають від'ємну напругу зміщення так, що в провідних місцях (електрично активних) утворюються бульбашки газоподібного водню. Електроліт не повинен окислювати поверхню напівпровідникової підкладки. Як електроліти використовують 1-2% розчини лимонної або оцтової кислоти в деіонізованій воді. Роль анода у електролітичній комірці виконує платиновий дріт. Контроль якості діелектричних плівок з допомогою методів, основаних на виділенні газоподібних продуктів електролізу з дефектних місць, проводиться також при електролізі розчинів метилового і етилового спиртів, які містять 1% оцтової або сірчаної кислоти у деіонізованої води [15,16].

Виділення бульбашок водню з дефектних місць при електролізі спиртових розчинів починається при напрузі 8-10 В. плавне підвищення прикладеної напруги приводить до виявлення менших за розмірами пор і збільшення їх густини, але при напрузі більшій 30 В відбувається інтенсивне віялоподібне виділення водню у електроліті, що робить неможливим реєстрацію і визначення істинної густини дефектів.

Електроліз супроводжується виділенням водню на пластині-катоді у місцях дефектів і кисню на аноді. В реальному випадку за рахунок впливу поляризації електроліту і типу електродів для розкладення деіонізованої води необхідно прикладати напругу 2,1-2,6 В. Розроблена комірка, яку застосовували для вивчення електрохімічних процесів виділення бульбашок, в якій їх реєстрували на поверхні діелектричної плівки в дефектних місцях після 2-3 хв. електролізу при напрузі 4-6 В. Продовження електролізу веде до збільшення бульбашок за розміром і у випадку їх утворення над дефектами великих розмірів - до віддалення від поверхні, тому підрахунок густини бульбашок проводиться після вимикання або зниження напруги. Роздільна здатність цього методу складає 40-60 мкм.

б) зручнішим для аналізу дефектності діелектричних плівок є метод, який полягає у використанні спеціального електроліту, до складу якого входять: сірчанокисла мідь - 5 г/л; желатин - 5 г/л; деіонізована вода - 1л [13,14].

Суть методу полягає в наступному. При подачі напруги з області пори на пластині-катоді відбувається електрофоретичне виділення водню в результаті електролізу. Процес проводять при напрузі 10-50 В. Бульбашки водню покриті плівкою желатину, армованою міддю, що забезпечує високу міцність плівки і добре зчеплення з поверхнею діелектрика. Висока чутливість (біля 0.1 мкм) методу забезпечується тим, що електроліз води йде не на кремнії, а на міді, яка осідає у порі і виходить на поверхню плівки. Вказаний метод ми використовували для дослідження наших об'єктів.

Рис 2.3.1. Схема установки.

Руйнуючі методи:

а) Анодне травлення використовується для виявлення дефектів в підкладці з полікристалічного кремнію [15] і має переваги хімічного травлення і методу наведення струму. Електролітична комірка складається з пластмасової склянки з електролітом, в який занурюють катод з платинового дроту і зразок - анод, закріплений на металевому стержні. Електролітом служить розчин плавикової кислоти концентрації 1-10%. Напруга живлення від джерела постійного струму регулюється в межах від 0.5 до 20 В. Оптимальне розтравлення дефектів спостерігали в області потенціалів між 0.7 і 2 В. Встановлено, що характер травлення дефектів в кремнії р-типу залежить від прикладеної напруги; при дуже низькій напрузі травляться дефекти, які класифікують за методом наведеного струму як “електрично активні”, при збільшенні напруги травлення стає подібним до хімічного, але зростає чутливість до дефектів (видно дефекти, які не завжди проявляються при хімічному травленні); анодне травлення - метод виявлення дефектів в будь-яких напівпровідниках р- і n-типу провідності, здатний повністю замінити методи хімічне травлення і наведеного струму.

б)Хімічне травлення в травниках, що містять плавикову кислоту (НNO3:HF: CH3COOH) приводить як до зменшення товщини нарощеної плівки, так і до розтравлення її в місці пори до розмірів, достатніх для спостереження під мікроскопом.

Характерно, що при обробці поверхні у вказаному травнику розтравлюється також поверхня кремнієвої пластини під порою, що дозволяє встановити точне положення пор на пластині.

Апробація вказаного методу для наших об'єктів досліджень показала, оптимальний час травлення у вказаному травнику при кімнатній температурі складає 5-7 хвилин. При цьому пори можна спостерігати під мікроскопом при збільшенні х100 (рис. 2.3.2.)

Рис. 2.3.2 Вид поверхні кремнієвої пластини після селективного травлення. (Ділянки темного фону розміщені строго під порами у плівці.)

2.4. Методика вимірювання вольт-фарадних характеристик систем Si-SiO2

МДН-структура є сформованим конденсатором. Для дослідження їх електрофізичних характеристик широко використовується метод вольт-фарадних характеристик (ВФХ), в основі якого лежить вивчення залежності поперечної диференціальної ємності МДН-структури (Сс) від зовнішньої напруги, прикладеної між підкладкою і верхнім електродом (U). Зміна Сс викликана модуляцією зовнішньої напруги ємності приповерхневої області просторового заряду напівпровідника [16].

Еквівалентом вимірювання низькочастотної ВФХ є так званий квазістатичний метод. Якщо до елементарного кола, що складається з резистора і конденсатора, прикладати напругу, лінійно зростаючу з часом Uc=at (де а звичайно складає 0.05 - 0.2 В/с), то струм в цьому колі буде пропорційний ємності. Схема установки для знімання квазістатичних ВФХ приведена на рис.2.4.1. [17]

Знімати ВФХ краще в напрямку від інверсії до збагачення. Для вибору початкової робочої точки генератор пилоподібної напруги з'єднують послідовно з джерелом постійної регулюючої напруги. Тоді Uc=В+аt. Вибір полярності напруг залежить від типу провідності підкладки і знаку поверхневого заряду.

Високочастотною (ВЧ) вважається така область частот, при якій можна знехтувати вкладом у ємність МДН-структури, ємності інверсного шару (С1) і ємності поверхневих станів (Сss). Умови високочастотності записуються:

Rpb>>1/wCd, Rhs>>1/wCd.

Апаратура для вимірювання високочастотних ВФХ розрізняється за методом вимірювання ємності, методом вимірювання зміщення на МДН - структурі (Uc), методиці фіксації і методом обробки результатів.

11

Рис. 2.4.1. Схема установки для вимірювання квазістатичних ВФХ.

1 - джерело пилоподібної напруги; 2 - електрометричний підсилювач.

Рис. 2.4.2. Схема установки для вимірювання високочастотних ВФХ:

1 - джерело зміщення МДН-структури; 2 - ВЧ-генератор; 3 -резонансний підсилювач; 4 - двокоординатний самописець.

На рис.2.4.2. показана схема установки для вимірювання високочастотних ВФХ.

Від генератора змінної напруги через розділюючий конденсатор С1 сигнал поступає на ланку, що складається із Сс, який має МДН-структури, і еталонного резистора R1 (C1>>Cсвч). Спад ВЧ напруги на резисторі R1 (R1<<1/wCcвч) пропорційний Свч.[18]

Підсилена і випрямлена напруга, пропорційна Свч реєструється по координаті “Y” двокоординатного самописця. Зміщення Uc, яке повільно змінюється, через роздільний резистор (R2>>1/wCcвч) подається на МДН-структуру і координату “Х” самописця. В результаті двокоординатний самописець фіксує ВФХ досліджуваної структури.

Високочастотна напруга на МДН-структурі Свч повинна забезпечувати малосигнальний режим і відповідно задовольняти співвідношенню Uc<<kT/q у всьому діапазоні Uc. При записі ВФХ МДН-структура повинна перебувати в темноті для уникнення фотоефекту.

При зніманні ВФХ доцільно застосовувати таку послідовність операцій: до МДН-структури прикладається напруга зміщення, яка відповідає глибокій інверсії; освітлюється МДН-структура для збільшення генерації неосновних носіїв і утворення рівноважного шару (часто буває достатньо використання звичайного лабораторного освітлення); потім МДН-структура повністю затемнюється, і напруга зміщення починає змінюватись від інверсії до збагачення, при цьому на самописці фіксується рівноважна високочастотна ВФХ.

Іншим варіантом ФВХ є диференціальний високочастотний вольт-фарадний метод. При аналізі високочастотного вольт-фарадного методу зазначалося, що для визначення густини поверхневих станів необхідно порівнювати нахили експериментальної і теоретичної високочастотних ВФХ. Це означає графічне диференціювання експериментальної кривої. Зручніше проводити диференціювання експериментальної ВФХ апаратурним методом. Для цього в установку зйомки ВФХ додатково вводять диференціюючу ланку [11]. При використанні зміщення Uc=at, яке лінійно змінюється, диференціююча ланка на виході забезпечує сигнал, пропорційний dC/dU, який записується на самописці одночасно з записом ВФХ. Розшифровка залежностей С(V) відбувається аналогічно до розшифровки високочастотних ВФХ. Перевага цього методу полягає в більшій швидкодії і підвищенні точності в порівнянні з вольт-фарадним методом. [17]

Блок-схема установки для дослідження МДН-структур приведена на рис. 5.3. при вимірюванні С(V) і G(V) залежностей (П1 - в положенні “1”, П2 - в положенні “2”) на структуру подаються два сигнали: малий синусоїдальний від генератора (2) і напругу зміщення з генератора пилоподібної напруги (КГТН) (4). Сигнал з виходу інтегруючого (ІП)( 8) або диференціюючого (ДП) (9) підсилювача подається на вхід широкополосного (10) або вибіркового (11) підсилювача і далі на фазовий (ФД) (12) або амплітудний (АД) (13) детектор. На вхід “2” ФД подається опорний сигнал з генератора (2). Встановлення фази сигналу на вході “1” ФД створюється незначним розладнанням підсилювача (11). Напруга з виходу ФД (VG) і АД (VC) подається на входи “Y” двокоординатних самописців (6) і (7). На входи “Х” самописців поступає напруга з виходу КГТН.

При вимірюванні С(t) залежностей (П1, П2 і П3 в положенні “2”) на структуру подається стрибок напруги або послідовність імпульсів з формувача (3). Вихідний сигнал КГТН при дослідженні повільних процесів використовується для часової розгортки самописців. Для реєстрації процесів з часами релаксації 0.3 с використовується осцилограф (14).

Градуювання С(V), G(V), i C(t) - залежностей проводиться магазином ємностей і провідностей (П2 в положенні “1”). Установка дозволяє проводити експрес вимірювання параметрів, та досліджувати їх неоднорідності.

Рис.2.4.3. Блок-схема установкт для вимірювання C(V), G(V) та С(t)-характеристик:

1 - магазин ємностей та провідностей;

9 - диференціюючий підсилювач;

3 - генератор;

4 10 - широкосмуговий підсилювач;

3 - формувач;

11 - вибірковий підсилювач;

5 - керуючий генератор трикутної напруги;

6 12 - фазовий детектор;

Страницы: 1, 2, 3