Введение к работе
Актуальность работы. Электрофизические свойства базовых в
полупроводниковой электронике структур кремний - диэлектрик в
значительной мере определяются характером процессов, протекающих в
изолирующих слоях. Большой исследовательский интерес представляют
природа, причины и механизмы возникновения дефектов и их
распределение. Такие, имеющие самостоятельную научную и практическую
значимость, параметры диэлектриков как встроенный заряд, поверхностные
состояния, электронные и дырочные ловушки, изменение скорости
химического травления являются проявлениями электрической и
химической активности дефектов. Согласно данным по ИК-спектроскопии,
масс-спектроскопии вторичных ионов, оже-спектроскогши,
фотоэлектронной спектроскопии и другим установлено, что именно слои вблизи межфазных границ являются областями повышенной дефектности. В то же время, качество границ раздела обуславливает рабочие характеристики, стабильность и надежность ряда базовых электрошшх приборов, таких, как МДП-транзисторы, структуры ПЗС, элементы ОЗУ и ПЗУ, оптоэлектронные преобразователи.
В наибольшей степени свойства приграничных областей определяют параметры сверхтонких диэлектрических слоев (толщиной менее 10 нм). Такие слои в связи с требованиями микроминиатюризации предполагается использовать в технологии СБИС уже в ближайшей перспективе, что обуславливает практическую важность их изучения. Научный интерес к исследованшо сверхтонких диэлектрических пленок вытекает из того, что даже при использовании одной и той же технологии сверхтонкие диэлектрические слои существеино отличаются механизмами формирования от тонких (толщиной менее 100 нм) слоев и имеют отличающуюся дефектность.
Таким образом, изучение дефектов в диэлектриках на поверхности кремния является актуальным направлением как в научном, так и в практическом плане. Одним из способов решения этой проблемы является изучение пространственных, распределений электрически и химически активных дефектов вблизи границ раздела кремний - диэлектрик и диэлектрик - внешняя среда и их сопоставление с объемными характеристиками диэлектриков.
Проблема изучения строения и свойств диэлектриков на поверхности
кристаллического кремния с точки зрения дефектов и их зарядового состояния и химической активности, в частности, включает в себя следующие нерешенные вопросы:
-
установление связи между механизмами формирования диэлектриков и их дефектностью с точки зарядового состояния и химической активности;
-
вьшвление роли подложки в формировании пространственных распределений электрически и химически активных дефектов;
-
сопоставление роли деградации при контакте с внешней средой и роли технологии в формировании МФГ диэлектрик - атмосфера с точки зрения пространственного распределения электрически активных дефектов.
Цель работы заключалась в изучении электрофизических свойств и пространственных распределений электрически и химически активных дефектов в структурах кремний - диэлектрик и разработке соответствующей методики измерений.
В соответствии с целью были использованы следующие подходы К получению ответов на поставленные нерешенные вопросы:
-
сопоставление свойств тонких и сверхтонких диэлектриков, что позволяет установить взаимосвязь между дефектностью качественно различных слоев различной толщины (4-65 нм) и механизмами их формирования;
-
использование различных подложек (n-Si (100), p-Si (100), (111), 1—45 Омсм; предокислительные обработки: перекисно-аммиачная, сернокислая);
-
использование диэлектриков различной природы: сформированных непосредственно из атомов кремниевой подложки (оксид кремния), сформированных при осаждении слоев, содержащих атомы кремния (нитрид кремния), сформированных при осаждении слоев, не содержащих кремния (оксид тантала);
-
использование различных механизмов (технологий) формирования: термический сухой, термический влажный и плазмохимический окислы, сформированные соответственно при 1050С, 960С и 400С, а также применение отжига;
-
использование контактов с внешней средой с вариациями по длительности для окислов кремния различных методик окисления (термический сухой, термический влажный, плазмохимический).
Задачи данного исследования делятся на 2 группы:
-
На основе эффекта поля в электролитах разработать методику получения с субнанометровым разрешением по толщине пространственных распределений заряда и зависимостей локальной скорости химического травления от толщины в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния.
-
Используя разработанную методику
получить пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких пленках оксида кремния, нитрида кремния и оксида тантала на поверхности кремния;
определить глубину залегания фиксированного заряда и положение его центроида;
установить влияние технологических факторов, физико-химических
воздействий и толщины на пространственные распределения
электрически и химически активных дефектов в тонких и
сверхтонких пленках оксида кремния, нитрида кремния и оксида
тантала на поверхности кремния.
Решение перечисленных выше научных и практических задач требует
разработки адекватных методов контроля электрофизических параметров
тонких и сверхтонких дизлектрігческих слоев на кремнии с
субнанометровым разрешением по толщине. Использование эффекта поля в
электролитах и применение методики непрерывного травления диэлектрика,
а также использование эллипсометрии, позволяет осуществлять такой
контроль, совмещая его с проведением различных физико-химических
воздействий.
Научная новизна работы.
-
Методика непрерывного травления диэлектрика в сочетании с эффектом поля в электролитах впервые применена к исследовашпо пространственных распределений электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках на поверхности кремния.
-
На основе разработанной методики получены пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в диэлектрических пленках термического сухого, термического влажного, плазмохимического оксидов кремния, нитрида кремния и оксида тантала на поверхности кремния.
-
Прямыми измерениями показано, что с точностью до 0.5 им глубина залегания фиксированного заряда в оксиде кремния составляет не более 2.5 нм для тонких пленок и не более 1 нм для сверхтонких пленок от поверхности кремния.
-
Установлено, что характер пространственного распределения заряда вблизи МФГ диэлектрик - атмосфера определяется как технологией формирования слоев, так и контактом с внешней средой и практически не зависит от свойств подложки.
Защищаемые положения:
-
Методика получения пространственных распределений заряда и зависимостей локальной скорости травления от толщины диэлектрика в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния с субнанометровым разрешением по толщине.
-
Экспериментально полученные пространственные распределения заряда и зависимостей локальной скорости травления от толщины диэлектрика с субнанометровым разрешением по толщине в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния.
-
Оценка положения центроида фиксированного заряда и выполненное прямыми измерениями определение верхней границы глубины его залегания.
-
Закономерности формирования пространственного распределения заряда вблизи внешней границы диэлектрика.
Практическая значимость:
-
Разработан экспрессный способ контроля ряда важнейших электрофизических параметров ДП-структур: встроенный заряд, поверхностные состояния, скорость химического травления и их толщинных зависимостей с субнанометровым разрешением.
-
Проведено исследование используемых в настоящее время в технологии сверхбольших интегральных схем структур кремний - диэлектрик с диэлектриками толщиной 4+65 нм. Исследовавшиеся структуры получены в промышленных условиях. Установленные результаты о влиянии толщины диэлектрика, типа предокислительной химической обработки (ПХО), кристаллографической ориентации поверхности, типа и уровня легирования кремниевой подложки на зарядовые свойства границ кремний - диэлектрик и диэлектрик - атмосфера и параметры диэлектриков могут быть использованы для оптимизации технологических процессов при производстве СБИС.
3. Проведено исследование перспективных для использования в
технологии СБИС высокой степени интеграции структур кремний -
сверхтонкий (<10 нм) оксид кремния. Установленные результаты о
влиянии типа предокислительной химической обработки,
кристаллографической ориентации поверхности, типа и уровня
легирования кремниевой подложки на зарядовые свойства границ
кремний - оксид кремния и оксид кремния - атмосфера и параметры
оксида могут быть использованы для разработки технологических
процессов производства СБИС.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались
на международных конференциях: «Электрическая релаксация в
высокоомных материалах» (Санкт-Петербург, Россия, 1994 г.), «Formation
of Semiconductor Surfaces» (Princeton, USA, 1995), «Solid State Devices and
Materials», (Osaka, Japan, 1995), «Дизлектрики-97» (Санкт-Петербург,
Россия, 1997 г.), «17th European conference on Surface Science» (Enschede,
Netherlands, 1997), «Fourth Nordic Conference on Surface Science» (Alesund,
Norway, 1997); международном симпозігуме «Ultra Clean Processing of
Silicon Surfaces» (Antwerp, Belgium, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключешія и списка литературы; всего содержит 179 страниц, 3 таблицы, 61 рисунок, библиографии 219 наименований.
