Исследование и разработка процесса формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами для конденсатора с повышенной емкостью Новак Андрей Викторович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Новак Андрей Викторович. Исследование и разработка процесса формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами для конденсатора с повышенной емкостью: диссертация ... кандидата технических наук: 05.27.01 / Новак Андрей Викторович;[Место защиты: Национальный исследовательский университет «МИЭТ»].- Москва, 2014.- 136 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы по применению, формированию и изучению пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si) 10

1.1 Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами и их применение в интегральной электронике 10

1.2 Методы формирования и используемое оборудование для формирования слоев поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью 12

1.3 Методы, использовавшиеся для изучения пленок HSG кремния и оценки их качества 14

1.4 Особенности формирования пленок поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью 19

1.4.1 Влияние температуры и давления осаждения на кристаллическую структуру слоев кремния, получаемых методом LPCVD 19

1.4.2 Влияние температуры осаждения на формирование пленок HSG-Si с большой площадью поверхности 21

1.4.3 Зависимость морфологии пленок HSG-Si от температуры осаждения 24

1.4.4 Зависимость морфологии поверхности пленок HSG кремния от толщины 26

1.4.5 Зависимость увеличения площади поверхности пленки HSG кремния от толщины пленки 28

1.4.6 Влияние времени отжига на морфологию пленок HSG кремния 29

1.5 Структура и механизм образования пленок HSG кремния 32

1.6 Анализ опубликованных данных по структуре и электрическим свойствам конденсаторных структур с HSG-Si пленками 35

1.7 Основные результаты и выводы, полученные из анализа опубликованных данных по условиям и способам нанесения пленок HSG кремния 39

Глава 2. Изучение морфологии пленок кремния, получаемых методом LPCVD, для температурной области, содержащей переход от аморфного кремния к поликристаллическому 42

2.1 Получение и экспериментальные методы исследования пленок кремния. 42

2.1.1 Получение пленок кремния 42

2.1.2 Методы, использовавшиеся для изучения морфологии поверхности и определения толщины полученных пленок 46

2.2 Методы математической обработки АСМ изображений поверхности 46

2.3 Поиск температурного интервала образования пленок HSG кремния: исследование морфологии LPCVD пленок кремния в температурном интервале 550-620С 52

2.4 Детальное изучение морфологии HSG-Si пленок в температурном интервале от 571С595С 53

2.4.1 Изучение зависимости от температуры морфологии пленок HSG кремния толщиной 100 нм в интервале от 571С595С 53

2.4.2 Изучение зависимости морфологии HSG-Si пленок от толщины в температурном интервале от 571С595С 61

2.4.3 Оценка влияния размеров зонда на параметры, полученные из анализа АСМ-изображений 68

Глава 3. Морфология поверхности пленок аморфного, поликристаллического и HSG кремния. Эволюция морфологии поверхности пленок HSG кремния при росте толщины пленки 80

3.1 Сравнительный анализ морфологии поверхности пленок аморфного,

поликристаллического и HSG кремния 81

3.1.1 Функции распределения высот и амплитудные параметры поверхности для трех характерных типов пленок кремния 81

3.1.2 Корреляционные и пространственные свойства поверхности характерных пленок кремния 84

3.2 Эволюция морфологии поверхности при росте пленок HSG кремния на основе использования скейлингового подхода 89

3.2.1 Анализ корреляционных функций высота-высота H(r) для HSG-Si пленок, полученных при различном времени осаждения 89

3.2.2 Изучение зависимости ширины интерфейса w, латеральной корреляционной длины и длины волны от времени осаждения 95

3.3 Зависимость размера, плотности зерен и основных параметров поверхности от толщины пленки HSG кремния 97

Глава 4. Разработка, изготовление конденсаторов с повышенной емкостью на основе HSG-Si пленок и изучение их электрических характеристик 103

4.1 Структура и изготовление конденсаторов на основе HSG-Si пленок 103

4.2 Исследование электрических характеристик конденсаторов на основе HSG-Si пленок 105

4.3 Изучение зависимости электрических характеристик конденсаторной структуры от толщины диэлектрического слоя 107

4.3.1 Зависимость электрической емкости от толщины диэлектрического слоя 107

4.3.2 Зависимость эквивалентной электрической прочности от толщины диэлектрического слоя 110

Заключение 113

Список литературы 119

Методы формирования и используемое оборудование для формирования слоев поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью
Методы математической обработки АСМ изображений поверхности
Функции распределения высот и амплитудные параметры поверхности для трех характерных типов пленок кремния
Изучение зависимости электрических характеристик конденсаторной структуры от толщины диэлектрического слоя

Введение к работе

Актуальность работы

При разработке интегральных схем, содержащих конденсаторные
структуры, с увеличением степени интеграции возникает

необходимость увеличения удельной емкости таких структур. Одним из
способов увеличения удельной емкости конденсаторных структур
является использование в качестве электродов слоев

поликристаллического кремния с полусферическими зернами, имеющих большую площадь поверхности.

Пленки поликристаллического кремния с полусферическими
зернами (hemispherical-grain polycrystalline silicon (HSG-Si)),

называемые также пленками поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью, имеют развитую поверхность, площадь которой в 1,5-2,5 раза больше площади поверхности «гладких» пленок. HSG-Si пленка представляет собой слой, образованный из плотно упакованных зерен, имеющих примерно одинаковый размер. Размер зерен, в зависимости от условий формирования, может варьироваться от 2 нм до 200 нм.

Пленки HSG-Si используются в современных интегральных схемах в
элементах динамической памяти (DRAM) в качестве нижнего электрода
конденсатора хранения, что позволяет увеличить емкость,

приходящуюся на единицу площади элемента более чем в 2 раза по
сравнению с «гладким» электродом из поликристаллического кремния.
Кроме того, пленки HSG-Si представляют интерес для различных
применений в микроэлектромеханических системах (MEMS), а пленки с
малым размером зерен (1-20 нм) представляют интерес для приборов,
основанных на использовании кремниевых нанозерен: в

одноэлектронных приборах, в элементах энергонезависимой памяти, фотоэлектронных приборах.

С точки зрения использования пленок HSG-Si в конденсаторных структурах важной характеристикой HSG-Si пленок является величина приращения площади поверхности (по сравнению с гладкой пленкой). Кроме того, важными характеристиками HSG-Si пленок, как для применения в конденсаторных структурах, так и для других применений, являются размер и плотность зерен.

Пленки HSG-Si получают на основе метода химического парофазного осаждения (LPCVD, PECVD) из моносилана, при специальных условиях формирования (температуре, давлении и времени осаждения, температуре и времени отжига и т.д.). Морфология

поверхности HSG-Si пленки, в частности размер и плотность зерен, существенно зависит от условий формирования. Несмотря на значительное количество работ, в которых изучалось влияние условий формирования на возможность образования и свойства HSG-Si пленок, в различных работах приведены разные значения для оптимальных условий формирования HSG-Si пленки. Изучение зависимости морфологии пленок HSG-Si от условий формирования проводилось в основном методами электронной микроскопии. Полученные при этом зависимости таких характеристик, как размер и плотность зерен, имеют только качественный характер, а размеры зерен приведены только для некоторых значений параметров осаждения. Для контролируемого получения HSG-Si пленок с заданными свойствами поверхности представляется необходимым изучение влияния условий формирования на морфологию поверхности пленок.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является изучение и установление оптимальных условий формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами, позволяющие контролируемым образом получать пленки с заданной морфологией (размерами и плотностью зерен) и создавать конденсаторы с повышенной емкостью на основе тонкопленочных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Найти температурный интервал образования HSG-Si пленок на основе анализа морфологии поверхности LPCVD пленок кремния, полученных при различных температурах осаждения для фиксированных наборов значений других параметров, посредством использования электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Посредством анализа АСМ-изображений HSG-Si пленок найти зависимости от температуры осаждения и толщины осажденной пленки (времени осаждения) таких характеристик HSG-Si пленок как: коэффициент увеличения площади поверхности, размер зерен, плотность зерен, а также основных характеристик шероховатости, пространственных и корреляционных свойств поверхности.
На основе полученных зависимостей найти оптимальные условия, позволяющие формировать HSG-Si пленки с большой площадью поверхности. Разработать технологический процесс изготовления конденсатора с повышенной емкостью на основе

полученных HSG-Si пленок, совместимый со стандартным процессом изготовления изделий с конденсаторными структурами из поликристаллического кремния. Изготовить конденсаторные структуры с повышенной емкостью и провести изучение их электрических характеристик.

Научная новизна

В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие научные результаты:

1. Посредством атомно-силовой микроскопии (АСМ) детально
изучена морфология пленок HSG-Si кремния и установлено:

температура осаждения, при которой происходит переход от смешанных пленок к HSG-Si пленкам, смещается в сторону более высоких температур при росте толщины пленки;

температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: 571С594С для толщины 60 нм, 578С594С для толщины 100 нм, 580С594С для толщины 150 нм;

температура осаждения, при которой происходит переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния (594С) слабо зависит от толщины пленки.

Для HSG-Si пленок впервые получены зависимости среднего латерального размера зерен, средней высоты зерен, плотности зерен, среднеквадратической шероховатости, корреляционной длины, величины относительного приращения площади поверхности от температуры осаждения и толщины осажденной пленки, позволяющие получать HSG-Si пленки с заданными свойствами.
Экспериментально изучена эволюция морфологии поверхности при росте HSG-Si пленки на основе использования скейлингового анализа АСМ изображений поверхности и впервые получены зависимости ширины интерфейса (среднеквадратической шероховатости) w(t)~t^p, корреляционной длины (t)~t ^1/z и длины волны (среднего расстояния между «холмами») k(t)~ f от времени осаждения t.
Проведен сравнительный анализ морфологии пленок аморфного, поликристаллического и HSG-Si кремния и показано, что в отличие от пленок аморфного и поликристаллического кремния обладающих свойствами самоаффинной поверхности, HSG-Si пленки обладают свойствами «холмообразной» поверхности.

Практическая значимость

Установлены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. Применение этих пленок в конденсаторных структурах позволяет увеличить электрическую емкость в ~2 раза по сравнению со структурой с гладкими электродами, при сохранении других электрических параметров.
Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием HSG-Si пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.
Полученные зависимости основных количественных характеристик поверхности LPCVD пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом формировать LPCVD пленки кремния с заданными свойствами поверхности, в том числе получать HSG-Si пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм^-2 до 30 мкм^-2).

На защиту выносятся следующие результаты

1. Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии детально
изучена морфология поверхности при росте HSG-Si пленок кремния. На
основе анализа АСМ-изображений:

получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности пленок;

изучена динамика роста HSG-Si пленок и установлены механизмы формирования рельефа для различных толщин пленки.

2. Установленные зависимости основных количественных
характеристик поверхности LPCVD пленок кремния от температуры
осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки)
позволяют контролируемым образом получать пленки кремния с
заданными свойствами поверхности, в том числе получать HSG-Si

пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм^-2 до 30 мкм^-2).

Найдены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. На основе разработанных HSG-Si пленок изготовлены конденсаторные структуры, емкость которых в ~2 раза превышает емкость конденсаторных структур с гладкими электродами.
Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием HSG-Si пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

Результаты диссертационной работы используются в

производственном процессе ОАО «Ангстрем» при разработке

конденсаторов с повышенной емкостью для изделий радиочастотной идентификации, что подтверждено актом об использовании.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих
конференциях и семинарах: 18-я Всероссийская межвузовская научно-
техническая конференция «Микроэлектроника и информатика – 2011»,
Москва, МИЭТ 2011; III-я окружная научно-техническая конференция
молодых ученных и специалистов, Москва, Зеленоград, 2011; 19-я
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция

«Микроэлектроника и информатика – 2012», Москва, МИЭТ 2012; IV-я
окружная научно-техническая конференция молодых ученных и
специалистов, Москва, Зеленоград, 2012; 20-я Всероссийская

межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика – 2013», Москва, МИЭТ 2013; XVIII-ый Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ-2013», Черноголовка, 2013; 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика – 2014», Москва, МИЭТ 2014; XXV-я Российская конференция по электронной микроскопии «РКЭМ-2014», Черноголовка, 2014.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 8 - в сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 136 страниц, из которых 105 составляет основной текст работы, включает 68 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 95 источников.

Методы формирования и используемое оборудование для формирования слоев поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью

Обычные пленки поликристаллического кремния, имеющие сравнительно гладкую поверхность, широко используются в технологии интегральных схем в виде различных применений, таких как затворы в МОП-транзисторах, межсоединения, электроды конденсаторов в ячейках памяти, интегрированные резисторы. Такие «традиционные» пленки поликристаллического кремния обычно получают на основе процесса химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (LPCVD). Детальное изучение условий формирования, структуры и свойств пленок поликристаллического кремния, получаемых с помощью процесса LPCVD из газообразного силана (SiH4), было выполнено ранее, например, в работах [55-58].

Большинство методов получения слоев HSG кремния также основано на использовании метода химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (LPCVD). Наиболее простой метод получения слоев HSG кремния основан на использовании стандартных LPCVD установок, которые широко используются в технологических процессах при производстве интегральных схем для осаждения слоев аморфного и поликристаллического кремния, а также различных других слоев, например нитрида кремния, оксида кремния и т.д. Этот метод, разработанный в работах [1-4], состоит из осаждения при помощи LPCVD слоя аморфного кремния и последующей операции отжига в той же самой LPCVD установке. Осаждение производится при определенных значениях давления и температуры, которые лежат в переходной области, соответствующей переходу от осаждения аморфного к поликристаллическому кремнию. Последующая операция отжига производится при температуре осаждения в течение определенного времени в вакууме. Все перечисленные факторы (давление, температура, время осаждения, время отжига, температура отжига) оказывают существенное влияние на свойства получаемой пленки.

Существуют более сложные методы получения слоев HSG кремния, также использующие осаждение методом LPCVD, которые основаны на использовании более сложных и дорогостоящих установок ультра-высоковакуумного химического осаждения из паровой фазы (UHVCVD) [28-33] . В этих методах сначала производится осаждение, посредством LPCVD, слоя аморфного кремния. Затем производится формирование на поверхности аморфного кремния зародышей и преобразование аморфного кремния в HSG кремний, посредством отжига в высоком вакууме при определенной (более высокой) температуре в течении определенного времени.

В работе [30] предложен метод формирования HSG кремния на основе RTCVD процесса, который также использует LPCVD осаждение аморфного кремния, формирование зародышей и преобразование аморфного кремния в HSG кремний, посредством быстрого увеличения температуры до необходимой величины и последующего отжига. В данном методе использовали две раздельные стадии осаждения слоев аморфного кремния с различными условиями осаждения. Сначала наносили нижний слой аморфного кремния из смеси SiH4, H2 и PH3 при температуре 597С. Затем проводили обработку для снятия естественного окисла, перемещали пластину в реакторную систему через вакуумную загрузочную камеру, проводили осаждение второго слоя аморфного кремния при температура около 617С (давление 20-120 Торр), в процессе которого происходило образование зародышей. Затем производили отжиг при определенной температуре и в течении определенного времени (оптимальная температура была около 645С), в процессе которого происходило формирование зерен.

Существуют методы, также основанные на использовании UHVCVD установок, но в которых получение исходного слоя аморфного кремния производится не LPCVD, а другими методами. В работах [29, 59] для формирования исходного аморфного слоя использовался метод молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). Впервые этот метод был предложен в [59], где пленки HSG кремния получали в результате осаждения слоя аморфного кремния методом MBE, формирования на поверхности слоя зародышей (при 450С) и последующего отжига в высоком вакууме (при 510С) для преобразования аморфного кремния в HSG кремний.

Для изучения пленок HSG кремния и оценки их качества использовались такие методы исследования как: 1) электронная микроскопия; 2) оптические методы исследования: метод измерения коэффициента отражения; 3) метод измерения электрической емкости конденсаторных структур с пленкой из шероховатого кремния в качестве электрода; 4) методы атомно-силовой микроскопии. Методы электронной микроскопии

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM) использовались практически во всех основных работах, посвященных изучению условий формирования пленок поликристаллического кремния, а также пленок HSG кремния [1-4,25-33, 55-58]. Эти методы позволяют получить информацию о плотности, размерах, форме зерен, толщине пленок. В ряде работ [1,2] также использовался метод отражательной высоко энергетической электронной дифракции (RHEED), который позволяет получить информацию о кристаллической структуре пленок.

Методы математической обработки АСМ изображений поверхности

Для изучения морфологии поверхности использовалась атомно-силовая микроскопия (АСМ), а также растровая электронная микроскопия (РЭМ). Для АСМ измерений использовались атомно-силовой микроскоп «Солвер P47», «Зондовая Нано Лаборатория ИНТЕГРА – АУРА» (производства компании NT-MDT, г. Зеленоград).

При измерении АСМ-изображений использовался полуконтактный режим измерения, называемый также прерывисто-контактным [80]. При сканировании устанавливали режим, при котором амплитуда колебаний зонда составляла 5-10 нм. В качестве зондов использовались кантилеверы марки NSG_01 (NT-MDT), имеющие, согласно паспортным данным, радиус кривизны острия менее 510 нм, угол сходимости острия 710.

Для измерения толщины осажденных пленок использовались: оптические методы (рефлектометр Leitz MPV-SP, спектроскопический эллипсометр Senduro (Sentecch)); электронная микроскопия (по сколу пластины); профилометр (по ступеньке).

2.2 Методы математической обработки АСМ изображений поверхности

Для обработки и анализа полученных АСМ данных использовался программный пакет для анализа и обработки изображений «Image Analysis P9» фирмы NT MDT, а также такие программные пакеты, для обработки АСМ данных, как Gwyddion, версия 2-26 [78] и SPIP (The Scanning Probe Image Processor) [79] для сравнения получаемых результатов с целью проверки их достоверности и проведения модельных экспериментов. Также для обработки и расчетов использовались пакеты MatLab, Origin, Excel.

Основные расчеты производились при помощи пакета «Image Analysis P9». Использовались такие модули этого пакета как: «Корреляционный анализ», «Анализ шероховатости», «Анализ зерен», «Фурье анализ», «Фурье фильтрация», «Фильтрация гауссовыми фильтрами».

АСМ-изображение представляет собой дискретную функцию высоты поверхности Z(xn,yk), отсчитываемую от базовой плоскости XY, и заданную на прямоугольной области.

При анализе АСМ-изображений исследуемых пленок LPCVD кремния рассчитывались такие характеристики поверхности как: автокорреляционная функция ACF(r) [62-64], корреляционная функция высота-высота Я(г) [67-72], функция спектральной плотности мощности (power spectrum density - PSD), функции распределения высот поверхности. Также рассчитывались основные параметры, определяемые в стандартах ISO 25178-2:2012 [62], ASME B46.1-2009 [63] и «Surfstand» [64] (амплитудные параметры: S9 Sa, Sv, Sp, Sz, St, Sku, Ssk; пространственные параметры: Sai, Ss, Str; гибридные параметры: Sdr). Кроме того, определялись параметры, используемые для характеристики поверхности в скейлинговом анализе [67-69].

Определение основных характеристик и параметров

Далее приведены соотношения для основных характеристик и параметров, определяемые для дискретной функции высоты Z(xn,yk), заданной на прямоугольной выборочной области в плоскости XY, имеющей число точек: по оси X - Л , по оси Y -Ny; Ах, Лу - интервалы приращения аргументов по X и Y. Предполагается, что функция Z(xn,yk) является центрированной, т.е. среднее значение функции равно нулю.

Автокорреляционная функция Автокорреляционную функцию определяют соотношением [64]: ACF(r) = R(TXm,TYq) =1 Z(xn +тХт,ук + TYq)-Z(xn,yk) N X N Y n=0 k=0 Из автокорреляционной функции R(rXm,TYq) определяются пространственные параметры поверхности [62,64]: Sai – корреляционная длина быстрого спада (fastest decay autocorrelation length) [62,64] Корреляционная длина быстрого спада Sal37 равна наименьшей величине сдвига (тх,т7) при которой автокорреляционная функция R(TX,TY) уменьшается до 37% от максимального значения (уменьшается в е раз): /37= min JT2X + T2Y,S = {(TX,TY):R(TX,TY) 0,37R(0,0)\ Ssi - корреляционная длина медленного спада (slowest decay autocorrelation length).

Корреляционная длина медленного спада Ss37 равна наибольшей величине сдвига (тх,тт), при которой автокорреляционная функцияЩтх,г7)уменьшается до 37% от максимального значения (уменьшается в е раз): Ssm= min JTX + T2Y,S = {(TX,TY):R(TX,TY) 0,37R(0,0)} Str - аспектное отношение текстуры (texture aspect ratio). Аспектное отношение текстуры поверхности, Str равно отношению корреляционной длины быстрого спада (Sai37) к корреляционной длине медленного спада (Ssi37).

Функции распределения высот и амплитудные параметры поверхности для трех характерных типов пленок кремния

Из ряда топографических АСМ-изображений модели (рис. 2-21) и реальной HSG-Si пленки (рис. 2-22) наглядно видно, как при увеличении радиуса острия убывает площадь более низких участков поверхности, а границы зерен становятся более «размытыми» и становится меньше перепад высот.

Изменение параметров АСМ-изображений приведенных в табл. 2-2, табл. 2-3 объясняется тем, что при увеличении радиуса острия зонда его способность к проникновению в отдельные участки (например на узких участках, образовавшихся между близко расположенными зернами) уменьшается. Это ведет к уменьшению площади боковой поверхности. А именно она дает основной вклад в увеличение площади поверхности.

Следует отметить, что корреляционная длина Sa/, по сравнению с другими параметрами (Sdr, Sq) является параметром наименее чувствительным к «степени остроты» зонда. Так для модели HSG-Si пленки, корреляционная длина Sa/ изменяется менее чем на 3% при увеличении радиуса зонда до 10 нм (для зонда, имеющего угол сходимости 10). Поскольку корреляционная длина Sai является характеристикой среднего латерального размера неоднородности поверхности, и связана с со средним размером зерен Dg соотношением Dg = const Sai (const 2 - 2,5 для случая полусферических зерен), то это означает, что размер зонда не сильно влияет на точность измерения среднего размера зерен при радиусе острия менее 10 нм. Наиболее чувствительным параметром к «степени остроты» зонда является параметр Sdr (относительное приращение площади поверхности). Для зондов с углом сходимости 10 определяемая величина Sdr меньше исходной величины на 1428% при радиусе острия 02,5 нм, и на 2841% при радиусе острия 2,55,5 нм. Фактически, образец HSG-Si пленки, осажденный при Тd=584С и имеющий величину Sdr = 100% (определенную из электрических измерений), можно использовать в качестве тестового для оценки «степени остроты» зонда.

На примере модели и реальной HSG-Si пленки (табл. 2-2, табл. 2-3) показано, как при использовании зондов, имеющих определенный размер радиуса R острия зонда, происходит уменьшение относительного приращения площади поверхности Sdr, которое является одним из главных параметров для конденсаторов с повышенной емкостью. Из модельных экспериментов видно, что при использовании зонда с углом сходимости 10 и радиусом острия около 5 нм, величина относительного приращения площади поверхности убывает до величины Sdr 80% при исходной величине около 120%. Это согласуется с величинами, полученными на реальных образцах (Sdr 7080%), с учетом того, что наиболее острые зонды имеют радиус острия около 5 нм и угол сходимости около 10.

Таким образом, различие между приращением площади поверхности Sdr 80% для HSG-Si пленки, полученной при АСМ-анализе и коэффициентом увеличения емкости AEF 2 (Глава 4) объясняется тем, что измерения проводили зондами с радиусами острия 510 нм, а реальная поверхность HSG-Si пленки имеет большую площадь поверхности. Выводы ко второй главе

1. Изучена морфология пленок кремния получаемых методом химического парофазного осаждения при низком давлении (LPCVD), для температурной области, в которой происходит переход от аморфного к поликристаллическому кремнию с «гладкой» поверхностью, и которая содержит температурный интервал образования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si).

2. Найдено, что температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: - для толщины 60 нм 571С594С; - для толщины 100 нм 578С594С; - для толщины 150 нм 580С594С.

3. Найдено, что температура, при которой происходит переход от смешанных пленок к HSG-Si пленкам, смещается в сторону более высоких температур при росте толщины пленки.

4. Найдено, что температура осаждения, при которой происходит переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния (594С), слабо зависит от толщины пленки.

5. Для HSG-Si пленок получены зависимости среднего латерального размера зерен, средней высоты зерен, плотности зерен, среднеквадратической шероховатости, корреляционной длины, величины относительного приращения площади поверхности от температуры осаждения и толщины осажденной пленки.

6. Найдено, что в исследованном температурном интервале (571-595C) происходит изменение формы зерен. Так с ростом температуры изменяется отношение средней высоты зерен к среднему латеральному размеру зерен Zg/Dg и составляет: 0,45 (571C); 0,6 (578C); 0,9 (583C); 0,24 (595C).

7. Найдены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si) с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584С), пригодные для создания конденсаторных структур с повышенной емкостью. При этой температуре образуются пленки, имеющие максимальную величину отношения средней высоты зерен к среднему латеральному размеру зерен, Zg/Dg=0,9.

Изучение зависимости электрических характеристик конденсаторной структуры от толщины диэлектрического слоя

На полученных зависимостях ширины интерфейса w(t), латеральной корреляционной длины g(t) и длины волны X(t) от времени осаждения t на рис. 3-16 можно выделить три временных интервала, которым соответствуют различные значения скейлинговых коэффициентов Д 1/z, р. На начальном интервале t (310 мин), соответствующем росту толщины d от 30 нм до 67 нм, ширина интерфейса зависит от времени, как w t , где /? = 0,19±0,05, корреляционная длина, как , tlz, где 7/z = 0,24±0,04 и длина волны, как X , где/? = 0,25±0,04. Теоретические модели МВЕ роста за счет поверхностной диффузии дают: а = 1, /І = 0,25 (с учетом линейных членов в уравнении роста) и «=0,75, /?=0,2, l/z=0,3 (с учетом нелинейных членов) [67,69,88]. Полученное значение /І = 0,19±0,05 указывает на то, что в процессе роста пленки преобладает механизм поверхностной диффузии, что согласуется с принятыми представлениями о механизме формирования HSG-Si пленок [1-4,89]. На втором интервале /(1016 мин), соответствующем росту d от 67 нм до 96 нм, происходит изменение скейлинговых коэффициентов (Р = 0,66±0,14, 1/z = 0,82±0,14 ир = 0,79±0,15), что указывает на изменение механизма формирования рельефа. Так как имеет место увеличение показателя роста ф 0,66), то можно предположить, что при формировании рельефа усиливается влияние эффекта затенения [67,87]. Для t 16 мин, соответственно при d 96 нм, происходит изменение скейлинговых коэффициентов: р 0,13, 1/z 0,3 и р 0,18. Можно предположить, что в этом случае более существенную роль играет эффект реэмиссии, приводящий к уменьшению р [67,87].

Из найденных скейлинговых коэффициентов следует, что в случае HSG-Si пленок, которые являются холмообразными, при толщинах 96 нм, выполняется условие динамического скейлинга (1/z fi/a). Так, у9/«=0,21±0,05 и 1/z=0,24±0,04 (для 310 мин) и у9/« = 0,72±0,15 и 1/z=0,82±0,14 (для 1016 мин). Согласно [67] для холмообразной поверхности условие динамического скейлинга (1/z = fi/a) может выполняться только в случае, когда корреляционная длина ф) tlz и длина волны X(t) t p одинаковым образом зависят от времени t. Оказалось, что в нашем случае это условие выполняется, т.к. 1/z р.

Таким образом, при изучении эволюции поверхности при росте толщины пленки HSG кремния на основе скейлингового подхода, получены следующие основные результаты. Найдено, что для HSG-Si пленок показатель шероховатости а = 0,92±0,03 и не зависит от толщины пленки, локальный наклон поверхности не меняется с ростом толщины. Динамика роста при толщине 67 нм характеризуется скейлинговыми коэффициентами: р = 0,19±0.05, l/z= 0,24±0,04,/?= 0,25±0,05, что согласуется с моделью роста за счет поверхностной диффузии. При толщине 6796 нм показатель роста увеличивается (fi 0,66), а затем при толщине 96 нм уменьшается (fi 0,13), что можно объяснить влиянием эффектов «затенения» и «реэмиссии». Обнаружено, что пленки HSG-Si, имеют «холмообразную» поверхность и, тем не менее, для них выполняется условие динамического скейлинга (l/z /?/a), а так же, что зависимости g(t) иl(t) одинаковым образом зависят от времени (1/z p).

Зависимость размера, плотности зерен и основных параметров поверхности от толщины пленки HSG кремния

С точки зрения использования пленок HSG кремния, как в конденсаторных структурах, так и для других применений, важными характеристиками пленок HSG кремния являются размер зерен и плотность зерен. Средний латеральный размер зерна Dg, из которых состоит HSG-Si пленка, определяет максимальную толщину диэлектрического слоя, при которой не происходит сглаживание рельефа [90].

Поэтому было проведено детальное изучение зависимости размера Dg и плотности Ng зерен, а также основных параметров поверхности, определяемых стандартами ИСО 25 178 и ASME, для пленок HSG кремния, полученных при температуре осаждения Td 584±3С, соответствующей образованию пленок с максимальной площадью поверхности.

На рис. 3-17 приведены АСМ-изображения пленок HSG кремния различной толщины: 8 нм, 30 нм, 40 нм, 59 нм, 67 нм, 96 нм, 160 нм. Все пленки осаждали при одинаковой температуре, равной 584С, которая соответствует получению пленок с максимальной величиной относительного увеличения площади поверхности Sdr. Все остальные контролируемые параметры получения были одинаковыми и составляли: давление 0,2 Торр, время отжига 20 мин., температура отжига 584С. Рис. 3-17. АСМ-изображения HSG-Si пленок различной толщины: а) 8 нм, б) 30 нм, в) 40 нм, г) 59 нм, д) 67 нм, е) 96 нм, ж) 160 нм.

Из анализа АСМ-изображений найдено, что при росте толщины HSG-Si пленок от 8 нм до 160 нм латеральный размер зерен увеличивается от 22 нм до 150 нм (рис. 3-18), а плотность зерен уменьшается от 1500 мкм-2 до 30 мкм-2 (рис. 3-19).

Рис. 3-18. Зависимость среднего латерального размера зерен Dg от толщины HSG-Si пленки d Рис. 3-19. Зависимость плотности зерен Ng от толщины HSG-Si пленки d

В табл. 3-2 приведены средний латеральный размер зерен Dg, средняя высота зерен Zg, аспектное отношение Zg/Dg, плотность Ng зерен, параметры поверхности, определяемые стандартами ИСО 25 178 и ASME, для HSG-Si пленок различной толщины: а) 8 нм, б) 30 нм, в) 40 нм, г) 59 нм, д) 67 нм, е) 96 нм, ж) 160 нм. Табл. 3-2. Средний размер Dg, плотность Ng зерен, параметры поверхности определяемые стандартами ИСО 25 178 и ASME для HSG-Si пленок различной толщины: а) 8 нм, б) 30 нм, в) 40 нм, г) 59 нм, д) 67 нм, е) 96 нм, ж) 160 нм.

1. Найдено, что пленки аморфного, поликристаллического и HSG кремния имеют различные функции распределения высот поверхности: распределение для пленок аморфного кремния является близким к распределению Гаусса, распределение для HSG-Si пленок имеет значительную отрицательную асимметрию, распределение для пленок поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью имеет небольшую положительную асимметрию.

2. Для трех типов LPCVD пленок кремния (a-Si, poly-Si и HSG-Si) получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности.

3. Найдено, из анализа автокорреляционных функций, что поверхности пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si являются изотропными на масштабе L 2 мкм.

4. Найдено, из анализа корреляционных функций, что пленки a-Si, poly-Si и HSG-Si имеют одинаковую величину показателя шероховатости (показателя Херста), а = 0,92.

5. Найдено, из анализа корреляционных функций и функций спектральной плотности мощности, что поверхность HSG-Si пленок обладает свойствами «холмообразной» поверхности, тогда как поверхность пленок аморфного и поликристаллического кремния - свойствами самоаффинной поверхности.

6. В результате экспериментального изучения эволюции морфологии поверхности при росте HSG-Si пленки посредством скейлингового анализа из корреляционных функций АСМ-изображений: