Введение к работе
Актуальность темы: Структуры «кремний-на-изоляторе» (КНИ) заняли прочное место в мире микроэлектроники. Традиционная кремниевая микроэлектроника приближается к пределу миниатюризации, а новые технологии требуют еще большей плотности упаковки элементов, более высокого быстродействия и т.д. Структуры КНИ позволяют решить ряд проблем, связанных с уменьшением топологических размеров и одновременным сохранением технологий кремниевой микроэлектроники, главным отличием которых в случае КНИ является изготовление приборов не в объемном кремнии, а в тонком слое монокристаллического кремния. Это продиктовано, в первую очередь, такими преимуществами этих структур, как возможность существенного снижения паразитных емкостей, обеспечение надежной диэлектрической изоляции приборов в интегральных схемах (ИС), сравнительная простота управления токовыми режимами, возможность снижения рабочих напряжений и мощностей [1-3]. Первоначально использование кремния на диэлектрике было ориентировано на изготовление приборов, способных работать в экстремальных условиях (высокая температура и воздействие ионизирующего излучения), и обеспечивающих разработку электронной аппаратуры для аэрокосмической, атомной и оборонной промышленности. Однако наибольший интерес в последнее время вызывают перспективы применения этих структур для изготовления низковольтных и высокочастотных ИС с малой потребляемой мощностью, широко используемых в портативной электронной аппаратуре (мобильные телефоны, карманные компьютеры и т.п.). Для создания таких ИС необходимы структуры, в которых как тонкий рабочий слой монокристаллического кремния, так и диэлектрический слой были бы практически бездефектны и не напряжены, имели одинаковую толщину по всей площади структуры, а граница раздела между ними обладала низкой плотностью поверхностных состояний
[1].
Из многообразия способов изготовления таких структур на практике широко применяются два основных — SIMOX (Silicon IMplanted by OXygen) и Smart Cut [2,3]. В обоих способах основным процессом при изготовлении является имплантация, в первом случае ионов кислорода, во втором — водорода. В первом случае имплантация используется для создания захороненного окисла, во втором — для отщепления тонкого слоя монокристаллического кремния после сращивания окисленных пластин кремния. Как известно, имплантация вводит множество дефектов, часть которых устраняются при помощи термообработок, а часть идет на формирование новых электрически активных центров. Эти дефекты оказывают существенное влияние на электрофизические свойства кремния и его окисла, особенно на границах раздела. Процесс сращивания пластин кремния также вносит определенные изменения в свойства полученных структур по сравнению со свойствами исходного кремния, которые следует знать для успешного изготовления приборов. Таким образом, мы получаем структуры,
свойства исходных кристаллов в которых в значительной мере изменены и которые слабо изучены. Исторически сложилось так, что структурам SIMOX посвящено огромное множество работ, в которых обсуждались практически все аспекты их получения, характеризации и использования. В то же время количество работ по структурам КНИ, полученным методом сращивания, ограничено, и многие вопросы остаются открытыми.
В Институте физики полупроводников СО РАН разработан способ изготовления структур КНИ, использующий процесс имплантации водорода [4]. Отличие данного способа получения структур КНИ от технологии Smart Cut заключается в том, что после имплантации водорода защитный слой окисла на рабочей пластине удаляется, а будущий скрытый окисел выращивается на второй пластине — подложке. В результате скрытый окисел не подвергается в процессе изготовления структуры КНИ радиационному воздействию, что может значительно улучшить радиационную стойкость структур КНИ. В технологии Smart Cut облученный окисел используется как будущий скрытый диэлектрик, и в структурах, получаемых с ее помощью, граница сращивания расположена под скрытым окислом. Возникает вопрос, как повлияет расположение границы сращивания между скрытым окислом и рабочим слоем кремния и использование необлученного диэлектрического слоя (будущего скрытого окисла) на свойства структуры в целом.
Цель работы: Определение параметров и природы электрически активных центров, дефектов в слоях и состояний на гетерограницах структур кремний-на-изоляторе, изготовленных методом сращивания и водородного расслоения. Задачи:
Определение энергетического спектра состояний на границе раздела Si-Si02, созданной сращиванием в структурах кремний-на-изоляторе и природы этих состояний.
Определение роли водорода в формировании состояний на границе сращивания и ее стабильности.
Изучение глубоких уровней в отсеченном слое кремния структур КНИ.
Определение величины заряда и исследование ловушек в скрытом окисле структур КНИ.
5. Исследование воздействия радиации на структуры КНИ.
Научная новизна работы:
1. Определены основные электрофизические параметры структур КНИ, изготовленных по технологии, разработанной в Институте физики полупроводников СО РАН, а именно: концентрации, энергии и пространственное распределение центров с глубокими уровнями в отсеченном слое структур, плотность и распределение по энергиям состояний на границах раздела Si-Si02, величина заряда в диэлектрике, пробивные напряжения и др. Показано, что данные параметры соот-
ветствуют, а по отдельным позициям превосходят параметры структур КНИ, изготовленных другими известными методами.
В работе определен энергетический спектр ловушек на границе Si-SiC>2 структур КНИ, изготовленных по технологии сращивания кремниевой пластины с окисленной подложкой и продемонстрировано отличие этого спектра от спектра для границы Si-SiC>2, созданной термическим окислением. Различие заключается в формировании других дефектов на границе сращивания, следствием чего являются относительно узкий энергетический спектр состояний, необычная трансформация спектра при отжиге в атмосфере водорода и неоднородное распределение плотности состояний по поверхности.
Обнаружено, что структуры КНИ обладают более высокой радиационной стойкостью по сравнению со структурами КНИ, изготовленными другими методами (SIMOX, Smart Cut и BESOI). Показано, что высокая радиационная стойкость связана с полной пассивацией ловушек в скрытом окисле водородом в процессе изготовления структур КНИ, и, как следствие, в замедленном накоплении заряда при облучении.
Показано, что благодаря пассивации водородом электрически активных примесей и дефектов в отсеченном слое кремния и на границе сращивания Si-Si02, структуры КНИ имеют электрофизические характеристики, не уступающие характеристикам структур КНИ, изготовленных другими методами.
Практическая значимость работы:
Определены основные электрофизические параметры структур КНИ — плотность состояний на границах раздела, заряд в скрытом окисле, напряжение пробоя, параметры глубоких уровней в отсеченном слое кремния, плотность HF-дефектов. Показано, что пластины обладают параметрами, позволяющими создавать приборы и схемы, не уступающих по своим характеристикам аналогам ведущих западных фирм.
Разработан способ снижения плотности HF-дефектов в отсеченном слое структур КНИ с помощью проведения дополнительного отжига в атмосфере азота при изготовлении структур КНИ.
Совокупность проведенных исследований показывает, что расположение границы сращивания в непосредственной близости от рабочего слоя кремния (между отсеченным слоем кремния и диэлектриком) структур КНИ дает ряд преимуществ данным структурам по сравнению со структурами, изготовленными другим способами. Высокое качество слоев вблизи границы сращивания обеспечивается пассивацией примесей и дефектов остаточным водородом.
4. Продемонстрирована высокая радиационная стойкость структур КНИ. Выработаны рекомендации по уменьшению влияния радиационного воздействия на структуры КНИ путем выбора типа проводимости и уровня легирования подложки. Достоверность результатов проведенных исследований обусловлена применением современных методов изготовления образцов и применением современных высокоточных измерительных приборов и надежных измерительных методик, сравнением результатов, полученных разными методами на различных типах структур КНИ. Ряд полученных результатов был позднее экспериментально и теоретически подтвержден в работах других авторов. На защиту выносятся положения:
Размещение границы Si-SiC>2, созданной сращиванием, в непосредственной близости от отсеченного слоя кремния (рабочей области) структур КНИ, изготовленных методом сращивания и водородного расслоения, обеспечивает более низкие значения плотности состояний на границе, заряда и ловушек в диэлектрике.
Набор и концентрация электрически активных центров в отсеченном слое кремния, плотность состояний на гетерограницах, заряд и количество ловушек в окисле определяются водородом, вводимым в процессе изготовления структур КНИ, несмотря на высокую температуру отжига — 1100 С.
Меньшая плотность ловушек в скрытом диэлектрике вблизи границы сращивания Si-SiC>2 в сочетании с их пассивацией при изготовлении структур КНИ обеспечивает более высокую радиационную стойкость к воздействию ионизирующего излучения по сравнению со структурами КНИ, изготовленными другими способами.
Апробация работы:
Результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на семинарах ИФП СО РАН (2000-2003), на научных конференциях: «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Байкал, 2000); Intern. Conference Of Ion Implantation Technology (Austria 2000); NATO ARW Progress in Semiconductor-On-Insulator Structures and Devices Operating at Extreme Conditions (Kiev 2000); GADEST-2001; Кремний-2002 (Новосибирск); Electrochemical Society Meeting: Silicon-on-Insulator Technology and Devices XI (Paris 2003); III Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003», Москва, МИСиС); Полупровод-ники-2003 (С.-Петербург, 2003). Публикации: Основные результаты опубликованы в 10 работах.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключался в участии в постановке задач, проведении экспериментов, обработки экспериментальных данных, проведении расчётов, обсуждении результатов, оформлении статей.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов, изложена на 130 страницах, включая 45 рисунков, 12 таблиц и списка цитируемой литературы из 126 наименований. Содержание работы:
