Исследование электрофизических свойств и радиационных эффектов в структурах кремния-на-изоляторе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

КИГВСЬКИЙ УН1ВЕРСИТЕТ 1МЕН1 ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

РГб ОД

,,„., На правах рукопису

= и u-.il •■•'М7

УДК 537.222.2; 537-311; 621.315

КШЬЧИЦЬКА ВАЛЕР1Я 1ГОР1ВНА

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОФ13ИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА РАД1АЦ1ЙНИХ ЕФЕКТ1В В СТРУКТУРАХ КРЕМН1Ю-НА-130ЛЯТ0Р1

(01.04.10 - фЬика натвпровщниюв та даелектриюв)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацп на здобутгя наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

КИ1В -1997

Дисерташсю е рукопис.

Робота внконана в 1нституп ф1зики нашвпровщнимв HAH Укра'ши, м.Кшв Науковий кертннк: - доктор ф1зико-математичних наук,

пров. наук. сгнвробпник Назаров Олексш Мнколаевич Оф'ццйн! опоненти: - доктор ф1зико-математичних наук,

Провщна организация: 1нститут ф1зикн HAH Укра'ши, м.Кшв

Захист вщбудеться "22" вересня 1997 р. о 1б°° в ауд. № 46 на засщанш спец1ал!зовано1 вченоГ ради Д01.01.17 в Кшвському ушверситет1 ¡MeHi Тараса Шевченка за адресою: 252127, Кшв-127, пр. Глушкова 6, рад)оф]зичиий факультет.

3 дисертацкю можна ознайомитись в науков1Й б1блютеш Кшвського ушверситету imchi Тараса Шевченка (м. Кшв, вул. Володимирська 58).

Вщгуки на автореферат у двох прим1рниках, засвщчеш печаткою, прохання надсилати на ¡м'я вченого секретаря спещалхзовано! ради за адресою: 252033, м. Кш'в-33, вул. Володимирська 64, Кшвсышй ушверситет ¡меш Тараса Шевченка, рад1оф!зичний факультет.

зав. лабораторкю Ширшов lOpitt Михайлович

- доктор ф!зико-магематичних наук,

лрофесор Жаркие lOpiß Серафшовнч

липня 1997 р.

вчеио) рада, доцент

Вченлй секрегар спещалЬовано!

А.Г. Шкавро

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыпсть теми. Тенденщя сучасно'1 мшроелектрошки до ство-рення схем велико! iHTerpauiï, як1 б мали високу швидкодйо та були надшними при робот! в жорстких температурних та раддацшних умо-вах, обумовила розвиток у всьому свт в останш роки технологи крем-нiю-нa-iзoлятopi (KHI). Головш переваги технологи KHI поршняно з традицшною КМОН технолопоо лов'язаш з повною даелектричною ¡золящею елемен™ одне вщ одного.

Для створення прилад1в та штегральних схем на ochobï KHI структур, покращення ïx napaMerpie необхщно знати електроф13ичш характеристики шпвки кремшю та меж подшу Si-дделектрик. В той же час, незважаючи на численш дослщження в цьому напрямку, властивосп KHI структур вивчеш не досить повно, особливо це стосуеться втшзняно! технологи створення KHI структур. Одна з основних проблем, яка виникае при робол з KHI структурами, полягае в ¡снуванш двох меж подту плiвкa Si - дieлeктpик, Mi ж якими при певних умовах виникае зарядовий зв'язок. В зв'язку з цим застосування традицшних методав для дослщження KHI структур потребуе cyrreBOÏ методично! доробки. KpiM того, в наслщок ¡снування зарядового зв'язку Mix межами, на bcî параметри робочих прилад1в впливае стан меж! пл1вка - внутршнш д1електрик та заряд у внугршшъому даелектрику. Тому для KHI систем дуже важливо контролювати якicть внугршньо-го д^електрика та його мeжi з гапвкою.

Незважаючи на пщвищену спймсть KHI пршкцдв до (мпульсно-го юшзуючого впливу, вони дуже чутлив! до повно! накопичено! дози опромшення, внасладок того, що кремшева ганвка в них з ycix боюв оточена шарами д^електрика (затворний даелектрик, внутршнш дхелек-трик, бокова ¡золящя). Найбшыи важливою проблемою, притаманною саме KHI системам, е створення рад1ащйно-стшкого внутршнього д1е-лектрика. Тому дуже важливою е задача, яка полягае в розвитку техно-

лопчних методав зменшення накопичення радаацшно-^ндуцированого позитивного заряду у внутршньому даелектрику KHI структур.

Одне з найбшьш ефективних ршенъ uie'i проблеми полягае в сгворенш BHyrpimHix штридних чи оксинпридних uiapiB. Однак, найбшьш широко розвинутий в CBiTi метод створення KHI структур -метод зонного синтезу, незважаючи на численш дослщження в цьому напрямку, до цього часу не дозволяе отримати яисну кремшеву гиивку на штридному д1електрику. Метод зонно'1' лазерно"! перекристашзацп полнсремтю е вельми перспективним для створення KHI структур з багатошаровими внутршшми д1електриками, оскшьки потенцшно дозволяе проводити перекристашзащю на р1зних д1електричних шарах, та й до того ж е найдешевшим з кнуючих метсдов.

Мета та завдання роботи. Головною метою робота е комплексне дослщження електроф1зичних характеристик KHI структур, створених методом 30HH0Ï лазсрно! перекристашзацп полжремшю, вивчення впливу юшзуючого опромшення на електричш характеристики KHI структур i приладав та розробка можливих методав збшьшення радаацшно! criiucocri внутргшнього даелектрика.

У вщповщносп до поставлено'1 мети дослщжень в po6ori розв'язувались TaKi завдання:

1. Адаптащя 1снуючих електроф1зичних методав для дослщження KHI структур.

2. Дослщження електроф!зичних характеристик KHI структур, отрима-них методом зонно! лазерно!" перекристашзацп пол1кремнно та елемен-tîb 1С на ïx ochobî, а також вивчення впливу на них у-опромшення.

3. Дослщження можливосп використання ВЧ плазмово'1 обробки для гадвищення радаацшно! стшкосп товстих BHyrpimHix даелектршав KHÎ структур.

4. Дослщження можливосп створення методом зонно! лазерно! перекристал13аци полисремнио KHI структур з багатошаровими

внутршшми далектриками з прошарками штриду та оксиштриду задля шдвищення радацШно! шйкосп.

5. Дослщження особливостей процеав накопичення радоацшно-1ндудированого заряду у внутршшх багатошарових доелектриках KHI структур, створених методом зоино!" лазерно! перекриспцизаци, та пор1вняння ÏX з процесами накопичення в окисних BHyrpiuimx доелектриках KHI структур, отриманих як за допомогою метода перекристалваци полкремнто, так i методом ioHHoro синтезу.

Наукова новизна роботи.

1. Вперше за допомогою комбшаци' мегсдав термостимульовано! поляр1заци та вольт-фарадних характеристик було дослщжено процеси термопольово'1 м^грацп заряду у внугршшх Д1електричних шарах KHI структур, створених методом зоннсн лазерное перекрисгал1зацп полнсремнио. Показано, що позитивний заряд у внутршньому д]'електрику початково локал1зован бшя обох меж подшу, а енергп Mirpauiï заряду вщповщають енерпям Mirpauiï îohîb лужних метагпв.

2. Вперше проведен! дослщження впливу ВЧ плазмово! обробки на KHI мезаструктури. Показано, що обробка в ВЧ плазмовому розряда дозволяе суттево збшьшити радаацшну стшюсть внутршнк даелектригав таких структур та меж подшу Si-SiCh.

3. Вперше дослщжено електро(|шичш характеристики KHI структур, створених методом зонноУ лазерное перекристал1заци пол1кремнио, з багатошаровими внутршшми д1електриками типу SiC)2-Si3N4-SiO:. Виявлено, що пщ час перекриспгаизацп' полжремшю вщбуваеться перерозподш азоту та кисню, який залежить вщ технологи сгворення uiapiB внутршнього даелектрика, що супроводжусться змшою електроф{зичних властивостей кшцево! структури. Встановлено, що використання терм1чного окисления штриду для сгворення прошарку SiCh дае змогу створити KHI структури з багатошаровими внутршшми д1електриками з хорошими електричними властивостями кремшево1 плавки та меж подшу пл1вка-д!електрик.

4. Вперше досшджеш особливосп накопичення радаацшно-шдуцирова-ного заряду в багатошарових BHyrpiuiHix д^електриках KHI структур, створених методом зонно'1 лазерно! перекристал1зацп, та проанагпзова-Hi ф!зич!п процеси, яга призводять до значного збшыдення рад1ацшно-1 стшкосп КШ структур з багатошаровими внутршшми Д1електриками пор1вняно з KHI структурами з одношаровим внутршшм SiCh, отри-маними як методом зонноГ лазерноГ перекристашзаца, так i методом ¿онного синтезу.

Практична uiHHicrb роботи.

1. Запропоновано метод дослщження електричних властивостей внут-ршнъого даелектрика KHI структур, який базуеться на комбшацп методов термостимульовано! поляр1зацп/деполяр1зацп та вольт-фарадних характеристик. Така комбшащя методов дозволяе визначити повний заряд у внутршньому доелектрику, його центрощ та змшу цих величин при термоциклюванш та опромшенш, виддлити рухливий та фиссова-ний заряди, визначити енергетичний спектр пасток у внутршньому дде-лектрику, а також зробити висновок про o6mîh заряду через межт пода-лу доелектрик-натвпровщник. Метод може бути використаний при розробщ приладав на ochobî KHI структур.

2. Результата дослщження електричних властивостей KHI структур, створених методом зонно! лазерно!" перекристатзаци полисремшю, можуть бути використаш для оптим1зацп технологи та консгрукци КМОН 1С на основ! KHI структур.

3. Результата дослщжень KHI структур з багатошаровим внутршшм доелектриком SiCh-SiaN-t-SiCh можуть бути використаш для створения 1С та датчиыв, спроможних прадювати в умовах жорстжих рад1ацшних noTOKiB, що необхщно для приладав вшськово}' еяектронки та косм1ч-hoï техшки, а також для пристроив, яю працюють на атомних станщях.

4. Використання метода ВЧ плазмово! обробки на кшцевш стада! виготовлення приладав на ochobî KHI структур е перспективним для пщвищення pafliauiftHoï criflKocri внутршнього окисного д1електрика.

Положения, hkî виносяться на захчет.

1. Комбшащя методав термостимульовано1 поляр1заци/деполяр1зацн та вольт-фарадних характеристик для дослщження КН1 структур дозво-ляе додатково до енергетичного спектру пасток у внутршньому доелек-трику i парамегр1в меж подшу, визначати величину повного заряду у внутршньому даелектрику, його центрощ та ïx 3MiHy при термопольо-вому циклюванш та радаащйних впливах, роздшяти рухливий та ф1ксо-ваний заряди, а також дослщжувати процеси обмшу ноаями заряду М1Ж нашвпровщником та д^електриком.

2. ВЧ плазмова обробка KHI структур значно послаблюе накопичення позитивного заряду у BHyrpiuiHix шарах SiCh та утворення поверхневих стан1в в таких структурах при опромшеннь

3. Високотемпературний процес лазерно"1 зонно1 перекристал1зацп KHI структур з внутршшм д1електриком типу Si02-Si3N4-Si02 супроводжу-сться значним перерозподшом азоту та кисню в crpyKTypi, який зале-жить вщ технологи створення шар!в внутршшього д!електрика, що сут-тево впливае на електроф1зичш властивосп кшцево'1 KHI структури.

4. При CTBopenni методом зоино! лазерно'1 перекристал1заци полшрем-îiiio KHI структур з багатошаровими внутршшми д1електриками вико-ристання терм1чного окисления нлриду кремнш для отримання про-шарку SiCh М1Ж кремшевою шнвкою та штридом дае змогу створювати KHI структури, яы не поступаються за свогми електроф1зичними вла-стивостями структурам з внутршшм одношаровим SiOi i значно пере-вищують ïx по радаацшнш стшкостк

5. Введения штридного прошарку у внутршнш даелектрик KHI структур зеувае центрощ рад1ацШ[ю-шдуцированого позитивного заряду вщ меж! внутршнш делектрик - шпвка вглиб д1електрика та зменшуе величину накопиченого пщ час у-опромшення заряду, що обумовшое бшьшу рад1ащнну стшк1сть таких структур пор1Вняно з KHI структурами з одношаровим внутршшм Si02, створеними як методом зонно! лазерно!' перекристшпзацп, так i методом ¿онного синтезу.

7

Ступшь доспшрносп. Доспшршсть отриманих результате забезпечуегься використанням надшних методик вольт-амперних, вольт-фарадних характеристик, термостимульовано! поляр1зацн/депо-ляр1задп, яи широко застосовуються для дослщження електрофшичних властивостей нашвпровщншав та д1електрик!в. KpiM того, проводилось пор1вняння результата, отриманих за допомогою р!зних методик. Було проведено експерименти на зразках, яю отримаш за допомогою р1зних технологш та яю вщр^знялись типом i концентращею легуючо! домшки в кремшевш лтвщ, товщиною внутршнього даелектрика, кремшево! шпвки та затворного дделектрика.

Апробац'ш роботи. OchobhI результата роботи доповщались та обговорювались на IV М;жнародмш конференци "Физика та технолопя тонких гипвок" (1вано-Фра1Швськ, 1993); Material Research Society Meeting (Boston, USA, 1993); III Miжpecпyблiкaнcькoмy науково-тех-н{чному ceMiHapi "Ф1зико-технолопчш проблеми створення KHI структур та елемента електронно! техшки на i'x основ1" (JIbBiB, 1993); International Symposium on trends and new applications in thin films (Drezden, Germany, 1994); 16th and 17th International symposium of Electrochemical Society on Silicon-on-Insulator technology and devices (San-Francisco, USA, 1994; Los-Angeles, USA, 1996); NATO Advanced Research Workshop "Physical and Technical Problems of SOI Structures and Devices" (Gurzuf, Crimea, Ukraine, 1994); 1-ой Всеросийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий создания легированых кристаллов кремния (Кремний-96) (Москва, Россия, 1996).

Публжацй'. OcHOBHi результата дисертаци опублшоваш в 10 роботах, перелш яких наведено в кшщ автореферату. Bci роботи написаш у сшвавторсгвь

Структура та обсяг дисертацц. Дисертащя складаеться з вступу, чотирьох глав, висновюв та перелку цитовано! лпгератури з 117 найменувань. Вона викладена на 136 сторшках, яш М1стять друкований текст, 39 малюнюв, 12 таблиць.

Особистий внесок автора. В дисертацшшй роботт узагальнеш результата досладжень, виконаних особи сто автором, в межах завдань, сформульованих науковим кер1вником. Безпосередньо автором прово-дився анашз л^тературних джерел, подготовка експерименттв, вимфю-вания електроф1зичних характеристик KHI структур, обробка та анал1з отриманих результата*. Автор приймав участь в штерпретаци отрима-них результата та пщготовщ po6iT до друку.

КОРОТКИЙ ЗШСТ РОБОТИ

У Bcryni обгрунтована актуалъшсть теми дисертацп, сформульо-ван! мета та завдання робота, наукова новизна, практична цшшсть та положения, якi виносяться на захист. Дано стислий 3micr робота по главам.

Перша глава дисертацп присвячена огляду Л1тературних джерел, в яких разглядались проблеми кремнт-начзоляторк В1дм1чеш перевага використання KHI структур для створення спйких до зовшшшх BFUIHBiB швидкодйочих 1С. Коротко розглянуп ochobhî методи створення таких структур. Проанал1зоваш переваги та недолжи кожного з метошв, а також обласп застосування KHI структур, отриманих р!зни-ми методами. Пщкреслюеться, що метод зонно!" лазерно! перекристаль зацп потнкремшю найбшьш доцшьний для створення пор1вняно деше-вих ращацшно-спйких штегральних схем.

Дал1 розглянуто вплив юшзуючого опромшешш на KHI струк-тури та елементи 1С на ïx ochobî. Описано вплив ¡мпульсного onpoMi-нення та nosnoï накопичежл дози опромшення на роботу KHI МДН-приладав. Вщчичено, що KHI прилади дуже чутлшм до повноТ накопи-чено! дози внаслвдок того, що робоча шнвка в них з ycix бок-iB оточена д1електриком. Коротко описано методи створення рад1ашйно-стшких KHI МДН-транзистор1в, основна увага придшена проблем! створення рад^ацшно-сгшкого внутршнього даелектрика.

На ochobî анашзу л1тературних даних сформульоваш основна мета та завдання роботи.

У друпй глав} розглянуп електричш характеристики KHI систем i приладав на ïx ochobî, а також описаш eлeктpoфiзичнi метода дослщ-ження KHI структур. Основною проблемою при визначенш електрич-них napaMerrpiß тонкошнвкових KHI структур за допомогою традицш-них методов е шнування зарядового зв'язку м^ж межами гшвка-внуцмшнш даелектрик та щпвка - затворний даелектрик.

В роздал! 2.2 на ochobî лпгературних даних ретельно проаналЬо-ваш вольт-амперн1 характеристики (ВАХ) KHI МДН-транзистор1в. Bei характеристики KHI транзисгор!в (порогова напруга, ВАХ, крутизна та обернений пщпороговий нахил) дуже чупнш до стану меж1 шпвка-внутршнш даелектрик.

В роздал! 2.3.1 описаш особливосп вольт-фарадних характеристик (ВФХ) KHI мезаструктур. У випадку структур нашвпровщник - Д1е-лектрик - нагавпровщник (НДН) використання uieï методики усклад-нюеться. Повна вим1рювальна емшеть НДН варактора являе собою послщовне з'еднання трьох емностей: емшеть внутршнього даелектри-ка, емшеть пшвки та емшеть подкладки. В роздш проанал1зоваш вольт-фарадап характеристики НДН структур з разними типами легу-вання пл1вки та шдкладки. При наявносп позитивного заряду у внут-ршшьому даелектрику можна роздшити вплив меж шивка - внутршнш даелектрик та пщкладка - внутршнш даелектрик на вольт-фарадну характеристику НДН структур. Однак, найбшын просто це здайснити у випадку n-типу легування як шпвки, так i пщкладки, тому що в цьому випадку при змш потенщалу одше!" меж1 вщ збагачення до шверсп протилежна межа знаходиться у сташ збагачення i не впливае на ВЧ ВФХ, TOfli як в шших випадках необхцшо враховувати те, що протилежна межа знаходиться в iHBepciï i дае вклад в вим1рювану емшеть. Вим1рювання вольт-фарадних характеристик KHI НДН варактор1в дозволяе визначити: тип та концентращю легування шивки та пщкладки, товщину внутршнього Д1електрика, заряди на межах подшу шивка-внутршнш Д1електрик та пщкладка - внутршнш д1електрик. Запропо-

новано метод визначення величини повного заряду у внутршньому д1електрику та його центроща за допомогою величин напруг "плоских зон" обох меж:

де Qd - повний заряд у внутршньому делектрику, Cd - емшсть внутрш-нього Д1електрика, q - заряд електрона, S - площа металевого електро-да, Vfbi, Vfb2 - напруги "плоских зон" меж д1електрик - шнвка та дае-лектрик - пщкладка, вщповщно, L - товщина внутршнього Д1електри-ка, Хо - центрощ позитивного заряду у внутршньому д!електрику вщносно межт доеяектрик-шнвка.

Оскшьки електричш параметри KHI прилад1в залежать вщ стану ме>и пл!вка Si - внутрнинш Д1електрик та заряду у внутршньому д!е-лектрику, то для KHI систем дуже важливо контролювати ягасть внут-pimnboro Д1елс1стрика. У роздш 2.3.3 пропонуеться використовувати для дослщження внутршнього Д1електрика КН1 структур комбшацпо метода в термостимульовано'1 пoляpiзaцiï/дeпoляpiзaцiï (ТСП/ТСД) та вольт-фарадних характеристик. Використання тако'1 комбшацп методов дозволяе найбшьш повно проанал!зувати електричш властивосп внутршнього д1електрика, а саме: визначити змшу величини повного заряду у внутршшьому даелектрику та його центроща при термоциклюван-н1, видшити рухливий та фпссований заряди, визначити енерги активаци процейв у внутршньому даелектрику, а також проанатзу-вати процеси обмшу заряду М1Ж д1електриком та натвпровщником.

В роздш 2.4 представлеш результата дослщжень переносу заряду у внутрпншх окисних шарах KHI структур, створених методом зонно!" лазерHoï перекриста.шзаци пол>кремшю, за допомогою метод!в ВФХ та ТСП/ТСД. Вигляд cnempiB ТСП та ТСД визначаеться поляршспо прикладено'1 напруги та не залежить вщ послздовносп прикладення напруги pi3Hoï полярносп. Це свщчить про те, що заряд у внутр1шнъому

доелектрику KHI структур почагково лoкaлiзoвaн бшя обох меж д1електрик-нашвпров1дник, на вадмшу вщ структур Al-SiCh-Si, в яких рухливий заряд майже завжди локатзован бшя меж1 Al-SiCh. Визначеш енергп активацц Mirpauiï заряду у внутршшьому окисному Д1електрику 0.9 та 1.5 еВ вщповщають енерпям Mirpauiï шшв лужних метал1в.

Третя глава прмсвячена дослщженню електроф1зичних парамег-р!в KHI структур, створених методом зонно! лазерное перекристал1заци полжремнйо, з BHyrpiuiHiM окисним доелектриком та дослщженню вплива юшзуючого опромшення на щ структури.

Внутршнш окис в дослщжених структурах мав товщину 1 мкм та був отриман за допомогою тершчного окисления. Дослщжеш KHI транзистори були виготовлеш за КМОН КНС технолопею i3 урахуван-ням деяких конструктивно-технолопчних рекомендацш по пщвищеншо рад!ацшно1 сгшкосп елемент1в 1С. Зокрема з меггою запоб1гання утво-рення радоацшно-шдуцированого каналу провщносп на нижнш меж1 шпвка - внутршшш д1електрик в n-канальних елементах проводилась додаткова глибока ¿мплантащя юшв В+, яка формувала pi3KO неодно-рщний профшь легування з максимумом концентраци легуючо! дом1ш-ки на нижнш меж1 плавки. Додаткове легування забезпечувало високу порогову напругу паразитного п-канального транзистора (~ 45 В) та низьку порогову напругу робочого транзистора 1 В). Величини обер-неного пщпорогового нахилу вольт-амперних характеристик KHI МДН-транзистор1в (80 мВ/декаду) та величини рухливосп електрошв (~ 650 см2/В-с) та дарок 250 см2/В-с) в канал! портняш з вщповщни-ми величинами в аналопчних структурах на об'емному кремни. Близь-kî величини рухливосп в гшвках KHI та в об'емному кремнп свщчать про те, що малокупда меж1, яю с основними дефектами в цих шпеках, не впливають на процеси перенесения основних носив заряду.

В роздал! 3.3 представлено результата дослщжень впливу у-опро-мшення на електроф1зичш параметра KHI МДН-транзистор1в. Зсув по-

роговсн напруги КН1 транзисторов, обумовлений накопиченням позитивного заряду в затворному д1електрику, не перевищував 0.15 В як в п-, так 1 в р-канальних транзисторах. Змша оберненого пщпорогового нахилу характеристик, яка обумовлена генерашею поверхневих сташв (ПС), була незначна (менше 25% при дозах 106 рад (Б0). Зменшення величин рухливосп носпв заряду в канал1 не перевищувало 20% при дозах 106 рад (Б!). Однак, в п-канальних транзисторах окр1м незначного зсуву ВАХ в бш вщ'емних напрут при дозах 10б рад (БО з'являвся значний шдпороговий струм витоку, викликаний утворенням шверсшного каналу бшя нижньо! меж! гаивка Si - внутршшш 810: за рахунок накопичення позитивного заряду в товстому внутршньому окий. Це тдтверднлось дослщженнямн ВАХ паразитних транзисторов, для яких внутршнш Д1електрик служить затворним, а напруга прикла-даегъся до пщкладки. Значне накопичення позитивного заряду у вн)т-ршньому дделектрику призводило до зсуву пороговое напруги паразитного транзистора до 40 В. Таким чином, основним фактором, який об-межуе стншсть КН1 МДН-транзистор1в до повноУ накопиченоУ дози опромшення, е значне накопичення позитивного заряду у внутршньому окиа, яке незважаючи на додаткове глибоке легування п-канальних транзисторш, викликало появу в них значних струм1в витоку (до 10*4 А) по нижньому каналу при дозах опромшення ~106 рад (Б^).

Оскшьки основним фактором, який обмежус стншсть КН1 структур до повно! дози опромшення, е накопичення позитивного заряду у внутршньому даелектрику, то виникас задача досшдити можлив1 метода зменшення цього накопичення. В роздш 3.4 запропоновано вико-ристовувати для цього низькотемпературну ВЧ плазмову обробку. Оскшьки при ВЧ плазмоЕШ обробщ водень може вш!граватн сутгеву роль у вщпал1 заряду, а нанесення полкремшго, як вцюмо, вповшьнюе його дифузпо, то при ВЧ плaзмoвiй обробщ використовувався додат-ковий шдагр1в для збшыдення дифуз:йноУ здатносп водню. Показано, що ВЧ плазмова обробка з потужшстю 1.6 Вт/см2 в середовииц №+Ш

13

з nwrpiBOM до 200°C дозволяла значно зменшити напруги "плоских зон" в таких структурах (з -22 до -2 В).

Зменшення позитивного заряду в Д1слектрику при ВЧ плазмовш обробщ може бути пов'язано як з нейтрал1защею електрично активних дефекта атомарним воднем з утворенням зв'язктв Si-H та Si-OH, так i з упорядкуванням структури даелектрика i3 зменшенням напружених та об1рваних зв'язюв. У випадку простого насичення SiCb воднем структура дшсно буде мати малий позитивний заряд в окиа i концентращю поверхневих сташв, однак наступне опромшення призводить до розри-ву зв'язюв Si-H та Si-OH i ефективного встроювання дефектов в SiOi та утворення ПС на меж1 Si-Si02. У випадку упорядкування аморфно! с!тки Si02 повинно cnocrepiraTHca зменшене накопичення позитивного заряду i утворення поверхневих сташв при опромшенш.

Досящження впливу опромшення на попередньо оброблеш в ВЧ плазм1 структури, показали, що така обробка дозволяс значно посла-бити накопичення заряду в OKwci, а також зменшити викликане onpoMi-ненням утворення поверхневих сташв. Таким чином, ВЧ плазмова обробка призводить не стшьки до нейтрал1заци електрично активних дефекта, скшьки до упорядкування структури SiOî та меж) подшу, що i зумовгаое бщьшу радаацшну стшюсть внутрпишх окисних uiapiB KHI структур, попередньо оброблених в ВЧ плазми

В четверти! глав! представлеш результата дослщжень електро-ф^зичних характеристик KHI структур, створених методом зонно! ла-зерно'1 перекристашзацп полисремнио, в яких задля пщвищення радаа-цшно! стшкосп як внутршнш д1електрик використовувалась багато-шарова система з прошарками штриду та оксин1триду. Також було проведено пор1вняння електричних napaMerpiB таких структур 13 параметрами структур з BHyTpiiHHÎM окисним даелектриком. Тонкий верхнш шар SiÛ2 в багатошаровш даелектричнш систем! Si02-SÏ3N4-Si02, необ-хщний для забезпечення rkîchoï меж! шлвка - внутршшш /йелектрик,

було отримано двома методами: окисления пщ тиском та терм!чним окислениям нитриду кремшю.

Дослщження вольт-амперних характеристик KHI МДН-транзис-TopiB з р1зними внутршшми д1електриками, в яких тонкий верхнш окис (150Â) було отримано за допомогою окисления шд тиском, показали, що noporoBi напруги транзитов з багатошаровими BHyrpiuiHi-ми д1електриками та з окисним внтуршшм д1електриком близью м!ж собою та не перевищують -1 В (для р-канальних транзисторов). Густина ПС на меж1 шивка - затворний д1електрик, розрахована по величин! оберненого пщпорогового нахилу ВАХ, трохи бшьше для структур з багатошаровими внутршшми доелектриками. Рухливосп дарок в кана-Л1 незначно вшрЬнялись для структур з р1зними внутршшми даелектриками та складали 300 см2/В-с для структур з внутршшм SiOî, 280 СМ2/В'С для структур з прошарком ¡¡приду у внутршшьому Д1елек-трику. Таким чином, отримаш результата демонструють можливость створення KHI структур з багатошаровими внутршшми д1електрика-ми, яю за своГми електроф1зичними властивостями зр1вняш з KHI структурами з внутршшм окисом.

Однак, вкшри вольт-фарадних характеристик KHI мезаваракто-pïB показали присутшсть знатного позитивного заряду в таких багато-шарових внутршшх доелеюриках. Було висунуто ппотезу, що цей ефект пов'язан Ь трансформащею багатошарових щелектриков, яка вщ-буваеться пщ час перекристал1зацн, що шдтверджуеться дослщженням xiMÎ4Horo складу цих щелектриюв до i шсля перекристашзаци' за допомогою метода вторинно\" îohhoï масс спектрометр!! (BIMC). Пор1вняль-ний аналоз цих cneKTpiB свщчить про те, що пщ час високотемператур-hoï перекристал!зацн вщбуваеться перерозподш азоту та кисню в бага-тошаровому д1електрику, що призводить до повноУ трансформацн тонкого верхнього шару окису, отриманого в peaicropi зниженого тиску, в оксинприд. Тому, щоб запобити такт трансформацн тонкого верхнього шару окису, оптимозовувалась технология його створення. Спек-

три BIMC BHyrpiiiiHix багатошарових д1електрик1в, в яких верхшй шар окису було отримано за допомогою окисления штриду кремшю, показали, що хоча шсля процесу перекрисгаизаци i спостерй-асться деяке проникнення кисню в штридний шар та атомов азоту в товстий нижшй окис, однак, збер1гасться чггко виражений тонкий верхшй шар Si02. Величини повного заряду в такому внутршньому д^електрику, роз-раховаш з ВФХ KHI BapaKTOpiB, зр1вняш з величинами, ят cnocrepira-ються у внутршшьому одношаровому SiOz.

Анал1з накопичення рад!ацшно-шдуцированого заряду в багатошарових внутршшх даелектриках Si02-Si3N4-SiC>2 (0.2-0.15-0.05 мкм) КН1 структур проводився в Д1апазош доз вщ 104 до 5-106 рад (Si). KpiM того, було проведено пор^вняння з процесами накопичення заряду у внутршшх окисних д!електриках KHI структур, створених як методом зонно! лазерное' перекрисгал1зацп, гак i методом шнного синтезу. Пов-ний накопичений позитивний заряд був значно менше у випадку структур з нпридним прошарком (в 3.5 раза при напруз! на шдкладщ 9.6 В). KpiM того, введения нпридного шару у внутршнш даелектрик зсувало центрощ рад^ацпшо-шдуцированого заряду вщ мeжi Si-SiÛ2 вглиб д!електрика. Слщ також зауважити, що внутршш okhchî шари, отри-маш р1зними методами, мають близью величини накопиченого заряду, його центроща та однакову залежшсть цих величин вщ прикладено! пщ час опромшення напруги, незважаючи на сутгеву р1зницю в технологи ïx сгворення.

Послаблене накопичення позитивного заряду у внутршшьому даелектрику та його локалязащя дал1 вщ меж1 з пшвкою призвели до того, що зсув noporoBoi напруги паразитних транзистор!в в таких структурах був в 4 рази менший, шж в структурах з внутрш:шм SiCh. KpiM того, на вщмшу вщ структур з внyтpiшнiм окисом, в структурах з багатошаровими внутршшьми д!електриками не спостер1галося будь-яке помине збшьшення густини поверхневих сташв, викликане onpoMi-

ненням, що найбшьш ймов1рно пов'язано з блокуючими властивостями шару штриду для пересування д1рок та водню.

Зменшення накопиченого радоацшно-шдуцированого позитивного заряду в шарах Si02-Si3N4-SiCh при малих дозах опромшення пояс-нюеться наявшстю електронних пасток в штр идиому mapi чи на меж1 SiOi-SisN«, як1 частково компенсують заряд дарок, що пщгверджува-лось дослщженнями ВФХ KHI вараютрв. При значних дозах onpoMi-нення та низьких зовншшх полях, яю використовувались в данш робо-tî, зсув noporoBo'i напруги транзистор1в перевищував напругу, прикла-дену до пщкладки пщ час опромшення, що свщчить про те, що при таких умовах головну роль в накопиченш заряду водграе електричне поле об'емного заряду, створеного опромшенням. Сумарне поле в обох д1електриках, розраховане за допомогою експериментальних значень повного заряду та його центроща, на юлька порядоив менше зовшш-нього поля. Тобто вщбувасться майже повна компенсащя електрично-го поля в д!електрику i процес накопичення заряду насичусться, а величина рад1ацшно-шдуцированого заряду в обох даелектриках близька до критично!. Показано, що перемщення при цьому центроща заряду вглиб д^електрика, яке вщбувасться при замни окисного внутр1шнього даелектрика на багатошаровий, знижуе величину критичного радаацш-но-шдуцированого заряду. Цим i зумовлено зменшене накопичення заряду в багатошарових д1електриках щрвняно з одношаровим окисом при опромшенш високими дозами.

ОСНОВШ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ 1. Показано, що анатз вольт-фарадних характеристик KHI мезаструк-тур дае змогу визначати не тшьки тип та концентращю легування шпв-ки та пщкладки, величини заряду бшя обох меж делектрик-нашвпро-вщник, товщину впутршшього д1електрика, а й величину повного заряду у внутршньому даелектрику, його центрощ та змшу цих величин при термопольових та рад1ащйних впливах.

2. Запропоноване використання комбшаци метода вольт-фарадних характеристик та термополяр1зацп для дослщження внутрпншх дцелек-TpraciB KHI структур дозволяе визначити змшу величини повного заряду та його центроща у внутр1шньому даелектрику при термопольовому циклюванш, енергн активацп процейв в дшлектрику, роздшити рухли-вий та фксований заряди, а також зробити висновок про обмш заряду через меж! подшу.

3. Внутрпыш окисш дделектрики KHI структур, створених методом 30HH0Ï лазерное перекристал1зацн, мають енерги Mirpauiï позитивного заряду, яю вщповщають енерпям Mirpaniï юшв лужних метамв (натрпо та калю), однак рухливий заряд в них початково локашзован бшя обох меж подшу далектрик-нашвпровщник.

4. Традищйно використовусмий для залобкання появи радаацшно-шдуцированого струму витоку бшя нижньоУ меж] кремшево\' шнвки, метод додаткового глибокого легування юнами В+ не е ефективним для KHI структур з товстим окисним внутршшм д1електриком та при великих дозах опромшення.

5. Обробка в ВЧ плазм! KHI структур дозволяе значно послабити на-копичення рад!ацшно-шдуцированого позитивного заряду у внутрш-Hix окисних Д1електриках. та утворення поверхневих сташв, що свщчить про значне упорядкування ïx структури.

6. На ochobî дослщжень xiMiHHoro складу BHyrpiuuHix багатошарових д!електр1шв до i теля перекристашзацп встановлено, що в процей високотемпературно'1 перекристал1зацп вщбуваеться перетворення тонкого верхнього шару Si02, отриманого в peaicropi зниженого тиску, в оксинлрид, що призводить до деградацн електричних властивостей KHI структур. Використання терм1чного окисления штриду дозволяе створити тонкий верхшй шар S1O2, який зберкаеться пщ час перекрис-тал1заци.

7. Вперше показано, що метод зонно! лазерноГ перекристагшацп при оттизацп технологи створення багатошарового внуцлшнього д1елек-

трика типу Si02-Si3N4-Si02 дозволяе отримувати KHI структури з елек-трично яшсними кремшевою щпвкою та межами подшу гапвка-даелектрик.

8. Вперше продемонсгровано, що KHI структури з багатошаровими внутршшми даелектриками, створеними методом зошкм лазерноУ пере-кристашзаци, мають бцгьшу рад1ацшну сгншсть, тж KHI структури з внутршшм одношаровим Si02.

9. Показано, що введения штридного шару у внутршнш д1електрик зсувае центрощ радаащйномндуцированого позитивного заряду дал1 вщ межт шпвка - внутршнш д1електрик вглиб д1електрика та суттево зменшуе повну величину накопиченого позитивного заряду у внутрйи-ньому даелектрику, пор^вняно ¡з внутршшми одношаровими окисними д1електриками KHI структур, отриманими як методом юнного синтезу, так i методом зонно1 лазсрноУ перекристашзацн полжремнпо. В структурах з багатошаровими внутршшми даелектриками, на вщмту вщ структур з одношаровим окисом, не спостертаеться збшьшення гусги-ни поверхневих сгашв, викликане опромшенням, що пов'язано ¿з бло-куванням штридним шаром пересування flipoK та водню.

10. Зменшення накопичення позитивного заряду пщ час опромшення в багатошарових внутрпишх д^електриках пор^вняно з одношаровим Si02 пояснюеться як наявшспо електронних пасток в штридному mapi та на мeжi SiOz-SiaN^ (особливо при малих дозах опромшення ~ 104 рад (Si)), так i змшою умов формування об'емного заряду (при високих дозах опромшення). Сумкно з пepeмiщeнням центроща захопленого заряду вглиб Д1електрика це обумовлюе значне шдвищення pafliauiiiHoï стШкосп KHI транзистор1в.

Ochobhî результата дисертаци опубликован! в роботах: 1. Руденко Т.Е., Руденко А.Н., Назаров А.Н., Лысенко B.C., Кильчиц-кая В.И. Электрофизические свойства ZMR КНИ структур: методы исследования и экспериментальные результаты II Микроэлектроника. -1994. -Т.23.-вып.6.-С.18-31.

2. Nazarov A.N., Lysenko V.S., Gusev V.A., Kilchitskaya V.I. C-V and thermally activated investigations of ZMR SOI meza structures // SOI technology and devices I ed. by S. Cristoloveanu. - Procced. of 16 Intern. Symp.

- 1994. - V.94-11. - p.236-244.

3. Назаров A.H., Лысенко B.C., Михайлов C.H., Ткаченко A.C., Пав-люк М.И., Молостов А.Н., Кильчицкая В.И. Влияние ВЧ плазменной обработки на перенос и накопление заряда в слоях двуокиси кремния структур Al-nonnSi-SiOz-Si II Микроэлектроника. - 1994. - Т.23. - вып.З.

- с.39-46.

4. Лысенко B.C., Назаров А.Н., Руденко Т.Е., Руденко А.Н., Кильчицкая В.И., Гиваргизов Е.И., Лиманов А.Б. Свойства КНИ структур, полученных методом лазерной зонной перекристаллизации поликремния на многослойных диэлектриках II Микроэлектроника. 1994. - Т.23. -вып.6. - с.32-38.

5. Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudenko Т.Е., Rudenko A.N., Kilchitskaya V.I., Givargizov E.I., Limanov A.B. Properties of SOI MOSFETs obtained on multilayer buried dielectrics // SOI technology and devices / ed. by S. Cristoloveanu. - Procced. of 16 Intern. Symp. - 1994. - V.94-11. -p.324-332.

6. Barchuk I.P., Kilchitskaya V.I., Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudenko Т.Е., Djurenko S.V., Rudenko A.N., Yurchenko A.P. Effect of ionizing irradiation on the charge buildup in multilayer buried dielectrics of SOI structures II SOI technology and devices / ed. by P.L.F. Hemment. -Procced. of 17 Intern. Symp. - 1996. - V.96-3. - p.292-301.

7. Барчук И.П., Вовк Я.Н., Кильчицкая В.И., Лысенко B.C., Назаров А.Н., Руденко Т.Е. и др. Исследование воздействия ионизирующего излучения на электрофизические свойства внутренних многослойных диэлектриков КНИ структур, полученных методом лазерной зонной перекристаллизации // Микроэлектроника. - 1996. - Т.25. - вып.5. -с.346-353.

8. Назаров А.Н., Михайлов С.Н., Лысенко B.C., Ткаченко А.С., Киль-чицкая В.И. Влияние ВЧ плазменной обработки на процессы переноса заряда и дефектообразование в пленках двуокиси кремния // Физика и технология тонких пленок / Материалы IV Международной конф. -Ивано-Франковск. - 1993. - ч.2. - с.321.

9. Djurenko S.V., Kilchitskaya V.I., Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudenko A.N., Rudenko Т.Е., Yurchenko A.P. Physical properties of ZMR SOI materials with multilayered buried dielectrics // Physical and Technical Problems of SOI structures and Devices / Workshop Abstract. - Ukraine. -1994. - p.67-68.

10. Барчук И.П., Вовк 51.Н., Кильчицкая В.И., Лысенко B.C., Назаров А.Н., Руденко Т.Е. и др. Свойства тонкопленочных систем КНИ с многослойными скрытыми диэлектрическими слоями // Тезисы докладов 1-ой Всероссийская конф. по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния (Кремний-96). - Москва. - 1996.

SUMMARY

Kilchitska V.I. "Investigations of electrical properties and radiation effect in silicon-on-insulator". Thesis (manuscript) applied for a degree of Candidate of Science in Physics and Mathematics. Speciality 01.04.10 -semiconductor and dielectric physics. Kyiv University after Taras Shevchenko, Kyiv, 1997.

The results of investigations of electrical parameters of SOI structures fabricated by ZMR technique and effects of ionizing radiation published in 10 papers are summarized. For the first time, it has been shown, that RF plasma treatment of SOI structures significantly decreases positive charge buildup and surface state density in such structures under irradiation. It was found that optimization of the preparation processes of the initial buried dielectric layers provides ZMR SOI-sructures with multilayer buried isolation Si02-Si3N4-Si02 which are characterized by high quality of both Si film and interfaces. It was found out that introduction of nitride layer into

the buried oxide shifts radiation-induced charge centroid from Si-SiCh interfaces deep into insulator and essentially decreases the total radiation-induced positive charge density.

Кильчицкая В.И. "Исследование электрофизических свойств и радиационных эффектов в структурах кремния-на-изоляторе". Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. Киевский университет имени Тараса Шевченка, Киев, 1997.

Защищается 10 научных работ, в которых представлены результаты исследования электрофизических параметров КНИ структур, созданных методом зонной лазерной перекристаллизации поликремния, и влияние на них ионизирующего облучения. Впервые показано, что ВЧ плазменная обработка КНИ структур значительно ослабляет накопление положительного заряда во внутреннем окисном слое и образование поверхностных состояний на границе в таких структурах при у-облуче-нии. Установлено, что оптимизация процесса создания слоев многослойного внутреннего диэлектрика позволяет с помощью метода зонной лазерной перекристаллизации создавать КНИ структуры с многослойными внутренними диэлектриками БЮз^з^-ЗЮг, не уступающие по электрофизическим параметрам КНИ структурам с однослойным внутренним БЮг и значительно превосходящие их по радиационной стойкости. Обнаружено, что введение нитридного слоя во внутренний окисел сдвигает центроид радиационно-индуцированного заряда от границы БЬБЮг вглубь диэлектрика и существенно уменьшает его величину.

Ключов1 слова: кремнш на ¡золятор1, електроф1зичш метода дослщження, багатошаровий внутршнш даелектрик, зонна лазерна перекристашзащя, радаацшна стшасть, ВЧ-плазмова обробка.

АННОТАЦИЯ