Исследование электрофизических свойств структур кремний-диэлектрик с использованием автоматизированного комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

•

ол

о

Академия наук Украины , Институт проблем материаловедения . им. И.Н.Фраяцевмча

На правах рукописи

ХРУЦКИй Владимир Константинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУР КЙМШ-ДИЭЛЕКТРИК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА 4

01.04.07 т физика твердого гола

Авторе ф-е р э т диссертации на соискание ученей степеии - кандидата технических наук

Киоп -

Диссертация представлена в вида рукописи.

■ ■ ъ

Работа.выполнена в Киевском политехническом инстнтуто.

Научные руководите -л: . '

1) кандидат фябико-математических наук, доцент

НОВОШЮКШ Борис Аркадьевич; ?■) кандидат техничв сих наук ЛУГОВ с,, анис лав Данил -.ич, " __

Паучныа консультант: доктор технических наук, профессор «• БЕЛОУС Михаил Вячеславович..

. в '

Офациалычв оппоненты: ч

1) доктор ф1: /ко-матоматических наук, член-корреспондент

АН Украины ЧЕРЕПИН Валентин Тихонович;

2) доктор физико-математических наук, профдссор г

ВОРОБЬЕВ Юрий Васильевич:

Р\п,у»шя организация - Харьковский политехнический институт.

/Запета диссертации состоится - и 1993 Г. в

/у часоп па заседании специализированного учонЛ о совета д 010.23.01 в'Институте ■ проблем материаловедам АН Украины по одресу: 252680, ГСП, Киев-142, ул. Кркижэновского, 3.

С диссортациоя - можно ознакомиться в1 научной библиотеке Института проблем материаловедении АН Украины по адресу: Киев, ул. Крии<ановского,ч3.

Автореферат разослан

сЫ*- - X «чдз г.

Ученик совдотюь

л

риа.1с»эдизкро1)11шогс» ученою спзста'. , ЯАДЕИй? Ю.Б.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.%

Актуальность темы.

Полупроводниковые приборы, изготовленные на основа слоистых структур диэлектрик-полупроводник (ДП) и маталл-диэлоктрик-поду проводник (МДП) находят широкое применение а современной микроэлектронике. Рабочие характеристики этих приборов и их стабильность со многом определяются электрофизическими свойствами границу раздела (ГР) диэлектрик-полупроводник. В частности, лова рхностнш и объемные рзкомбин циошшо параметры, а таюке зарядовые характеристики полупроводников и слоистых структур оказы- ■ ваются весьма чувствительными к различным операциям, применяемы!,1 в гиапарноя технологии. Вследствие „гого исследование совокупности рекомбинационных и зарядовых параметров систем ДП актуально как для понимания сущности физических продассов, так и для контроля технологических факторов.

Определение рекомбинационных параметров (РП) по спектральным зависимостям э.д.с. фотомагнитного эффекта (МЭ) позволяет в лабораторных условиях получать достаточно точные их значения. Однако, во-перьых, измерения являются очень трудоемка, а, во-вторых, расчет параметров сопряжен с большим объемом магматических вычисленийь что является препятствием для практического использования. Преодолеть вышеперечисленные трудности позволит создание измерительной системы с использованием электронно вычислительной техники, в частности, микропроцессоров и торсо налышх ЭВМ (ПЭВМ). Аналогичный подход является также эффективным и при наховдэ л зарядовых параметров <ЗП> из измерепий вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Кроме того, пгпоеная система, имеющая шв^ровой выход, сравнительно легко может быть включена в АСУ ТП производства компонентов микроэлектрояноп техники.

Целью работы является:

- повышение экспресшости и точности "борате, пых измерения ■электрофизических характеристик кремниевых ДП-стру..гур4-получение возможности межоперашояного контроля этах структур па

пих стадиях технологического процесса производства изделий ютс-роэлтегроники путем соппания мотодики атуттматип кропанного изнэ-рония спектральных хар-.ч№ристик ФМЭ и -")льт-фэралных характеристик. а такие программ расчета но ним рскомбтацисняш и ¿¿р"' пппих ичрччртрср:

- Чпииг^^гчи.'.х МСС.^.ЦОП^ЛИЧ» у

зарядовых параметров ГР кремний-диэлектрик структур 51-Б10г к 51-510« -Г)!.^ с далью отрабопси созданных методик автоматизированных измерений, изучения влияния различных режимов получения и • ■чботки диэлектрических слоев на электрофизические характорис-

татех структур, а также определения возможности оптимизации этих характеристик;

- определение оптимальной толщины пассивирующего слоя нит гида кремния, испо.' з.уемого для уменьшения времекпй деградации рекомбинационных и. зарядовых параметров структур кремнии• диэлектрик;

- расчет па ПЭВМ упругих напряжений и деформаций, оказываю пда влияние из элоктрофизиче с кие характеристики слоистых полу ■ проводниковых струшур.

Научная авизнз работы.

- разработана оригинальная методика автоматизированного измерения спектральной зависимости э.д.с. ФМЭ и расчета И! при произвольных толщинах полупроводниковой пластшш, произвольных уровнях легирования, произвольных кэпряжзшгастях магнитных полея

—(кжлючая -квантугаше), произвольных соотношениях между толщиной облаете (фиповерхнсстного заряда (ОПЗ) и дайузионной длиной, о также произвольного поглощения света с учетом многократного отражения от поверхности пластины. Создан аппаратпо-прогрзймныя комплекс, {«ализующий эту методику;

- впервые с помощью методики автоматизированного измерения ФМГ) исследованы РГ1 при различных ревшмах получения и легирования слоев диоксина кремния в структурах 51-310;,. Получены 01тгималь ние точки зрения минимизации скорости поверхностной рекомбинации) режимы окисления кремнип и легировапип слоя БЮр бором и Фосфором;

- для структур БЬЗЮр-?-}^ определены области оптимальных ре'кимов осатления диэлектрических пленок нитрида кремпия и их толщин, обладающие наиболее ч°тко выраженными'запилпыми и гпаби .тазир^дничи свойствами;

- нэ основе метода конечных элементов пройден расчет грет мпрпогс поля температурных внутренних механических напряжений п компонентах двухслойной полупроводниковой структуры су щ^у/гвепчо влиянтох на Физичети« пэрпиочры и даСо'1 ио хпрпшериг Т|-(цт* псдуремь'х прчборо".

Практическая данность.

Полученные в процессе работы вал диссертацией результат лозволили создать новую методику автоматизированных измерения сгазктралышх характеристик ФМЭ, необходимую как для изучения Фи зических механизмов, ответственных за формирование рекомбинацн онно-генорационных и зарядовых свойств траншу раздала Д11 в раз .личных условиях, так и дяя контроля технологических процессов и нахождения оптимальных режимов синтеза и обработки ди .лектричес-ких слоев. Представленный в диссертации комплекс аппара.ло программных средств позволяет осуществлять раннюю диагностику качества исходных слоистых структур и можэт быть использован как .идя лабораторных исследования, так и в АСУ Ш производства изда лий микроэлектронноа техники.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и ибсузда-чись: на заседаниях кафедры общей физшси и физики твердого тела Киевского политехнического института (1988-1992 г.г.), на семинарах отделекли гиЗких автоматизированных технологий ОКБ математических машин - систем Института кибернетики им. В.М.Глушкова АН - сраины (1987-1991 г.г.); на конференции "Ашоматизация управления технологическими npt цессами производства издал!.. мик-|х)ЗЛе1строншси" (1988 г.); на Школе-семинаре молодых ученых "лк туальиые проблемы кибернетики и информатики" (198? г,); на семи наре "Оптимизация химико-технологических процессов" (198» г.); на выставке-ярмарке "Достижения НГК "Институт кибернетики имени В.М.Глушкова" в области программного обеспечении" (199(J г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликована 7 работ. Список приьшкч) в конце автореферата.

Пд^же_иияА_ выносимые на защиту.

1) Методика автоматизированных изме[дзниа спектральных хь ракгеристик э.д.с. ФМЭ и расчета реаомбинарчонных ПЛраыетроь ДИ-структур на основании полной аналитической модели ф гомагштюго аффекта, а также аппаратно программный комплекс раализуши:' эту методику.

2) Эффект минимизации скорости пиьерхносиюа рвк-мяин^щи полупроводниковых струк ;р SI S10?, цостигздмьа .mi иривзнием т нами В' с энериии 16 КзН лиЗо со сторонь. е.ноя диоксидл ялГо г пыльной стороны, при знании ионов 4u г и, КэЬ достигается млкс

ч

имум времени жизни неосновных носителей, причем наибольший эффект дает бомбардировка структуры с двух сторон.

3) Оптимизация рекомбшационных параметров ГР структуры 3151 Ор - максимум времени жизни неосновных носителей и минимум скирости поверхностней рекомбинации - достигаемая диффузионным легированием фосфором слоя диоксида с кешценчр'" 5-тсй 6% или ионным легированием фосфором с энергией 50 КэВ и дозой 1,5 мкКл/см2.

4) Режим осгждзнкя слоя шгтрида кремния со скоростью 70 -

о

80 А/мин, при температуре 350 - 400°С, до толщины 20 нм, позволяющий получить оптимальные (с точки зрения технологии производства изделия микроэлектроники) значения электрофизических пара-не-фов т~)аницы раздела кремния-диэлектрик в структуро З^БМ^-БЬ^. Лдя лучшей стабилизации величин злектрофкзичесют параметров толщину слоя шггрвда следует увэлзгшть до 50 нм.

5) Характер распределения внутренних механических напряжений (ВИН) в структуре кремний-диоксид, вознигзвдга при охлаждении от температуры формирования слоя диоксида до комнатной, рас-с тайного на основании метода конечных элементов. ВМН имеют не-линейш. распредаленко по глубине, сосредоточены в области Гранины раздела и в этой области уменьшаются от центра к крага пластины, в то время как на тыльной стороне они в этом направлении увеличиваются.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников ц трех приложений. Работа содеркит 124. страницы машинописного текста, включая 16 рисунков, 10 таблиц, список литерзтуры из 172 названий. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры обшей физики и физики твердого ла Киевского политехнического института (х/т N ШЗ/10 "Разработка физических основ создания устройств предварительной диаг-иости. - МДП-структур для автоматизации технологических процессов производства интегральных схег ' 01.02.86 + 31 12.90г.).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Ьо введении обоснована актуальность темы диссертации,

0]?с<$ывда имя и задачи рэФгго, сястштк'? яэучкзя новизна тэт-

¿г

ченных результатов, их практическая важность, сформулированы на учные положения, выносимые на завдату-

В первой главе проведен ?"ализ возможярстеа фотомагиитноги эффекта для определения рекомбинационных параметров полупроводников и слоистых структур на их основе. О этой полью рассмотрена аналитическая модель ФМЭ, основанная на уравнении дня величины тока короткого замыкания линейная связь которого с э.д.с.

ФМЭ нарушается лишь при одновременно больших уровнях освещенности и напряженности приложенного магнитного поля. Решение этого уравнения с учетом уравнения непрерывности и соответствующих граничных условий приводит к общему выражению для тока короткого замыкания фотомагтпиого эффекта. Это выражение справедливо при произвольных уровнях легирования, толщине полупровонника, соит ношении между диффузионной длиной и толщиной области приюверх постного заряда. Анализ предельных случаев этого выражения пока зывает, каким образом ФМЭ может быть использован для контроля РГ1 полупроводников и слоистых структур на их основе.

На основании формул, связывающих величины Р11 ^ конкретным видом измерз тьь. спектральных характеристик э.д.с. ФМЭ можно с высокой точностью определить время жизни неосновных носителей Тр, длину диффузии !д, скорость поверхностной рекомбинации (СИР) на освещенной поверхности 50и скорость объемной рекомбинации ч Получ-шше е этой главе результаты -показывают перспектив ность метода ФМЭ для осуществления контроля РП и технологически» условий при производстве интегральных схем. На иснонзнии этого нами сделан вывод о необходимости разработки сисгемы измерения и обработки спектральных характеристик ФМЭ с игпойьзовашьм средств электронно-вычислительной техники, что практически |<?п лизовано в настоящей работе.

Во второй глава описаны разраооганнш и отланкншыч нмыи аппаратно-программные средства, дня измерения спэгсгрзлшш хя рактеристик ФМЭ и вольт-фарадных характер« -ик (64 Я).

Автомашзированная микропроцессорная установка, гцвнназнч ченная для измерения спектральных хара!п«ригч'ик ФМЭ вклшяот и себя (рис. I):

1) щит управления "1ирас ИЗ", содзркэщиа микр«?кент ро шхф (МК), пульт управления ,1У), знчтггер линии евлчи (дли) с сисгч мой верхнего уровня и устройство евпзи с обгектои, состояла? из трех однотипных »строягть ввопа'вдзОДЧ (УВВ-'/СЗ);

2) три блока. управления исполнительными механизмами (ионохроматором (БУ1), модулятором (БУ2) и магнитом (БУЗ));

3) коммутатор (К);

4) измерительные приборы 'селективный усилитель У2-8, циф Р"< >й мультимор фазовый детектор В9-2);

5) оптическую систему, включающую источниг света (НО), мо нохроматор (Нх), систему линз, модулятор <Мд);

5) злектромал гг (Н), созданный напрятаннос-ь мзгготтгп 'и.чя до 20 КЭ <1.5 106 А/и);

7) блоки питания (БП).

к системе обработки

результатов

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной установки для и?мерения параметров полупроводниковых структур методом фотомапоттнм-о эффекта.

Алгоритм управления уст тонкой предусматривает измерение ••опротизления образца, спектральных характеристик интенсивности пялаюяэго и отраженного света, э.д.с. фотомагнитного эффекта при г;значениях натгряженности приложенного магнитного поля. а перричиу1 обработку дппнчх и перотчу и* р си-ггему вчрхне г о ц^я расчета ГИ. фа«" рапиы» Фсрмируетсп прпгр;шмг>л

г

управления эксоэрииентальноа установкой, которая записывает и него результаты измерений и режимы работы приборов. Кроме тою, в ПО предусмотрен набср тестовнт программ для проверки оперэтив ного и постоянного запоминающих, устройств (ОЗУ и ПЗУ) микрокопт роллера, устройства связи с объектом . (УСО) и перфоратора. Коли чество точек измерения и значения длин волн, на которых выполни «ггся измерения, заданы параметрически. Все блоки управления ра ботают по сигналам от микропроцессора (при необходимости, напри „ мер при отладке, предусмотрено и ручное управление вышеописанными устройствами). Управление установкой осуществляется со специ ального ПУ.

В микроконтроллере Mit используется 1 микропроцессор KP580HK8UA, поэтому ПО автомзтизироазнноа установки написано на языках ассемблера М--80 и PI/M-80. При написании программы ис пользовались принципы модульного и структурного программирования. Разработка ПО реализующего алгоритм управления установкой велась по принципу "сверху-вниз". Программные модули, использую щие драйверы периферийных устройств, разрабатывались "снизу-вверх". Объем НО составляет около ö Кбайт ПЗУ и для ее работы гребется около 1 Кбайт ОЗУ.

ПО системы верхнего уровня написано нами на алгоритмическом языке GW-BASIC, в операционной системе MS-DOS для ПЭВМ класса IBM PC. И> ется версия на языке BASIC-80 для микро ЭВМ 00-05 и операционной системы ISIS-II (ДОС-СО). ПО включает в себя про граммы приема данных по каналу связи (для IBM PC), чтения перфо ленты (для CO-OS) и расчета величин PII. Программа расчета Pli гн> результатам измерен : спектральных характеристик поеж^юпчгнльнм выполняет следующие действия:

- инициализацию рабочих массивов и конст аш .

- ввод входных данных из дисковою файла,

- сглаживание входных данных,

- вычисление величины сигнала фотомап'кпюго ¿ifeicra,

- расчет РП полупроводниковой струкщы по сиакгралмша x-t рактеристикэ фотомагнитного эффекта,

- вывод результатов на дисплей ни тччпклц^о устройстве

Пэред обработкой данные по э.д.с. ФМЭ оглзживэкгтсц, с itpsu

щыо сплайн-апроксимации Расчет величины сигнала ФМЭ вы по iHW'rt по двум алгоритмам одновременно. iUn проверки пртиш нссти )Ч< зультата поело -mu о выпчдняетгя сбратныи раечнг и оценищете?

погрешность для кэздого из алгоритмов. Для расчета параметров полупроводниковой структуры выбираются значения сигнала ФМЭ, рассчитанные по а.агоригму, имеющему в данном случае меньшую по-гоетаность. Рззультаты измерений и расчетов, душ каждого исследуе-штс образца срвдены в таблицу, которая выводится на дисплей или принтер.

Предлагаемая в работе установка позволяет на основе контроля РП полупроводник вого материала . эсти отбраковка структур ДИ на ранних этапах производства, а также давать рекомендации тех нологам по применению разнообразных технологических приемов, на правленных на снккение рбкомбинационвых потерь.

Кроме РП, чувствительными к технолохгш оказываются зарядовые характеристики исслэдуемьи структур. Применяемая нами щш управления позволяет также реализовать функции контроля на осно во вольт-фарадных измерений. в

Вторая часть главы посвящена вопросу автоматизации комплексных вольт-фарадных измерений зарядовых параметров ДП-етруктур (эффективного заряда в диоксвдэ С)01 и плотности поверхностных состояний в серэдазо запрещенной зоны Ы^). Проведанный нами анализ показывает, что предложенные ранее варианты автоматизированных установок для измерения ЕФХ не используют в полной мере принципиальные возможности. емкостных методик для оценок важных физических и технологических параметров в реальном масштабе времени. Применение микропроцэссора в разработанной нами установке даот возможность более эффективного управления процессом измерения и обработки результатов.

Таким образом, нами проведано дальнейшее усовершенствование методики ВФХ, включающее в себя модернизацию аппаратной части и модификацию программного обеспечения, что повышает ее экспрес-сность, информативность и расширяет возможности в современных научных и технических приложе, 1ях.

В полупроводниковых приборах различного типа • от дискретных диодов до больших интегральных стрм - широко используются пассивирующие диэлектрические окрытия. Эти пп-рытия обеспечивают достаточно низкие значения плотао спи поверхностного заряда и скорости поверхностной рекомбинации, а также необходимую ста 6ил»рость параметров приборов в различных пкеплуятацта.

Для пассивации »аиболэд часто1 применяют диоксид и нитрид креч-[\«?1 "ето^а получения ¿иазанимх матт'агов вк/почэкя' »рмич^скос

осаждение из газовой фазы при атмосферном и пониженном давлении, atT3K»8 различные вакуумные злэктреппо-иошше процессы и температурное воздействие. Каждый из этих методов в ходе технологических операций может по-разному влиять ва злег-тгофизическиэ характеристики структур кремний-слоистый диэлектрик, а тагосе формировать раз.пиное морфологическое состояние структур и характер внутрэштих механических напряжения, которые, б своп очередь, такие оказывают влияние на параметры ПР.

В третьей главе с помощью разработанных нами и описанных выше методик автоматизированного измерения зарядовых и рексмби-нациовиых свойств ГР полупривошик-даэ-гчстршс прАвед?пы исследования ряда актуальных этапов Планерной технологии связанных с получением и обработкой структур Si-Sic^. Измерения проводились на тестовых структурах Si-SlOg, изготовленных в проиышлэняш условиях Из пластин кремния п-типа.

Л. îMO в структурах Si-SiOg, подвергнутых ионной бомбардировке В*.

Иопиая боч"бардироь исследуемых структур Si-5i02 проводилась jrvítío со стороны окисленной поверхности, либо с тыльной стороны, .пчбо с обеих сторон. Энергии ионов В"1" изменялись от 15 до 100 КэВ. Доза обучения составляла 1 мкКл/см2. Перад измерением величин« ФМЭ проводился отжиг в атмосфере аргона ггри 450 °С в тетеяте .30 мил.

Рг-е РП обнаруживает ярко выраженную зависимость от дозы об-

s 10 r'We

I \ I ......I ....... ■ ' '

(i га >>в ля «в m» м,»п

Пи:.?. .Ta*irririDCTi. ШР от чнгаргич иска* •('при Ивлц-пкпи гз nwinftrtn <<!). г*«М(П<» ir) ñ г Рва* г от*« (ит).

«

ÍO

лучения, причем вса вариант бомбардировки с малыми энергиями приводят к улучшению рекомбинационных параметров. Так, например, при Е = 15 КэВ величина SQ, измеренная после бомбардировки со стороны диоксида, уменьшилась почти на порядок (рис. 2), а время ииэни тр при этом возросло. При энергии ионов В'1' более 60 КзВ проявляется тенденция к ухудшении РП. Анализ подученных данных показывает, что РП границы раздела Si-S10g также сильно подвержены влиянию бомбардировки со стороны тыльной поверхности, причем тенденции зманения с дозой такие ше, как и для рабочей го-верхности. ,'

Б. Из к .[енда электрофизических свойств структур Sl-S102 при диффузионном и ионном лагиров^.ши фосфором слоя диоксида.

Исслед эмые структуры изготовлялись по стандартной технологии. После этого термический оксид удалялся. Пленки SiOp, легированные фосфором, ос вдались из паровой фазы. Толщина слоя SiOg после осаждения составляла ü, 12 мкм. Образцы для ионного легиро-ваг чя брались из тог/ же исходного материала, что и для .диффузионного легирования, толщина оксвда так ш составляла 0,12 мкм. Легирование проводилось ионами Р'1 (I = 50 КзВ, доза облучения от 0,5" до 2,5. мкКл/см2). В обоих вариантах легирование завершалось отжигом в атмосфере азота ( Ю °С, 30 мил.).

При концентрации фосфора равной 6% наблюдается существенное уменьшение величины СПР и достигается максимальное значение времени жизни неосновных носителей. При ионном легировании фосфором сохраняя )я те жо тенденции, что и при диффузионном легировании нас дается увеличение времени жизни неосновных носителей и уменьшение СПР до значений дозы t,5 мкКл/см2 (рис. 3).

10

0.S 1.В 1.5 Z.O ZA Рис. 3. Зваисимсси преиэин кии* Т,и скорости поверхностной рекапВииевии 8. ДОЕЫ при ИПННОИ IKlUprinBHHM tpncrpupnw.

i i

Подученные результаты свидетельствуют о;том, что рэкомбина-ци'-чные своястза ГР Si-SiOg могут изменяться цэлепаправленпо при легировании слоя 510г бором и фосфором.

В. Зависимость рокомбинациашшх параметрог системы SI-S10p от темпаратуры окисления.

Полированные пластины кремния КДБ-4,5 с кристаллографической ориентацией (100) п^оле стандартной химической обрабопси окислялись в атмосфере сухого кислорода при рааотгшх температурах до получения толнцшы пленит 0.1 мкм.

На рис. 4 представлены результаты измерения длины диффузии, объемного времени жизни неосновных носителя заряда, а также СПГ от теядарэтуры окисления. Анализ дапных показывает, что ГП имеют окстрэиэльные значения в диапазоне температур 1000 + 1050 °С.

V °с V МК.1 Т . п' МКС SQ, • 10*CM/C

850 31.0 2.56 5.67

950 36.9 2.94 4.44

1050 37.8 2.97 3.78

1100 37.5 2.91 5.00

1150 29.4 2.47 8.22

Рис.4. Зависимость PII от температуры гнсис.яения.

Увеличение температуры формирования слоя диоксида от 850 до 1000"0 приводит, очевидно, к образованию боже плотноупакованной фазы окисла, что приводит к улучшению рекокбинационных параметров структуры. Кроме того, возможно усиление генерации точечных язфектов в окис.че и кремнии, которые более эффективно отжигаются при последующих технологичесгал операциях. Дальнейшее повышение температуры окисления вызывает усиленный рост пит тигельных дефектен упаковки , скапливание на них примесей, а также увеличение механических напряжения на границу раздала, что еу?мвярт ухударкие Ш.

В четвертой главе рассмотрена связь эле трофизических свойств структур Ri-SlOp-SI^N,, г трхнолпгирй получения слоев ни-

"рРЧН I.

А. Влияние температуры осаждения слоя нитрида кремния на электрофизические параметры ГР кремний-слоистый диэлектрик структуры Б^БК^-З^.

Проведены исследования РП и 311 полупроводниковых структур при изменении температуры, осаждения слоя нитрида от 175 до 460 °С. Обнаружено, что при температуре 350 °С достигаются минимальные значения Оох и наибольшее время жизни Тр, что позволяет оптимизировать режим осачщэния нитрида коемния при его применении в планарно. технологии.

Б. Зависимость зарядовых и ракоибинационных параметров структур 51 ;юг-313Л4 от толщины слоя шггрвда. кремния.

Наш исследована совокупность рвкомбиаационных и зарядовых характерисг с ГР полупроводник-диэлектрик в структурах $1-ЗЮг-313П4. Рекоибинациошше параметры определены по измерениям -ФМЭ, а зарядовые по ВФХ. Измерзни образцы ЗЬБШ^ (термическое окисление до 0.5 мкм) и Б1-3102-513Ы4 с толщинами нитрида кре"чия от 5 до 50 ! м (пленки нитрида кремния осаждены методом высокочастотного реактивного распыления в атмосфере азота в режиме: температура подложки - 450 °С, давлзнкз азота - 2.6 Па, удельная мощность разряда - ,2.5 Вт/см , скорость осаждения -10 нм/минЗ,

Экспериментальные данные для каждой толщины пленки 31дЫ4 были получены на нескольких однотипных пластинах. Усредненные величины объемного времени жизни неосновных носителей Тр, длины диффузии еосновных носителей Ьд и скорости поверхностной реком-инащ Б0 от толщины пленки 313И4 приведены на рис. 5. Все вэ

втн

о 10 ?0 30 60 <!(, „

Уве. 5. З^вв^аышггь враыава хя1нш ваос 3 4 ВО«««* васштамй (Гр), миы япф/авк (1л] к СПР (Зо| »1 ммевы слоя ватрша крвипш.

личины на рисунко приведены в относительных единицах как отноше-гг " данного значения к значения соответствуктаго параметра в исходной структуре Б1-3102. Наблюдаемые зависимости РП структур Б^БЮ^-въ^ от толдапь? слоя шприда кремния ^зволяют сделать вывод о той, что оптимальная толщина слоя нетрэда составляет приблизительно 20 им.

В. зэвкс1"!0сть "«комбинационных свойств структур Зх-ЗхОд-З!^'^ от скорости осаждения слоев нитрида кремния.

Образны для исследеваша изготовлялись по стандартной технологи!, а слои 313Г?4 наносился кетодом высокочастотного роак-тнзного распылспшь Толжша пленок нитрмдз и диоксина во всех случ?ях оставались постоянны:;!! - 45 к 5С0 км, соответственно. Для исследовании брались исходные структуры 31-510-, и структуру с нанесенных;! на шк слоями ЗиИд со скоростью осаздзнил нитрида

от 20 до НО Л/мин.

Лпялкз усрэдпопных езлкчкн времени жизни и длины л}^ффуз!п1 неосновных носителей, а татокэ СПР п зависимо..га от скорости осахцккил пленок 31-)N. показывает, что объемные параметры т г.

О *

1,д ц-.сит тенденции к выходу на насыщенно при 70С > 80 ЛЛган. в' то то время СПР при таких зпаченипх скорости оезндония доептгаэт наииэпыаэго значения.

о

Уполкчеппэ скорости осаждския от 20 до 80 Л/мин -тутем

изменения мощности разряда приводит, по-пидкему, к усиления десорбции связанного водорода га пленок нитрида, что, в вой очередь, удучаает структуру пленкп 313Н4 и уменьшает внутренние ;,:з-заничзею'.е напряжения на границе раздела. Дальнейшее увеличение мощности разряда приводит к возрастанию количества дефектов и ухудшению РП.

Г. Врекенная до градация электрофизических свойств структур

Известно, что слои нитрида кремния оказывают положительное влияние на стабильность структур 51-3102. В процессе наших ис-с.~дсвзний реализовалась возможность изучать динамику изменения совокупности РП и ЗП на протяжений ¡0 мт. Пзйи йс&яэдова.вм* стр.уктуш 31-310?, на которые наносились слои 513И4 методом высокочастотного реактивного распыления кремния з атмосфере Измерения проводились на структурах с различной толщиной слон З]^, >т о до БО нм): непосредственно после изготовления

структур; через В месяцев; через 12 месяцев; через 2 года; через 4 года; через 10 лат. Все время исследуемые структуры находились при комнатной температуре в воздухопроницаемых (но пылезащитен -ных) кассетах.

Исследования показали, что резкая деградация всех параметров наступает скачком поело 12 месяцев хранения. Степень деградации зависит от толщины слоя С ростом толщины слоя нитрида кремния степень деградации уменьшается и при 50 нм достигается относител гая устойчивость всех исследуемых параметров. Таким образов; можно сделать вывод о достаточной надежности и технологичное! . применения слоев нитрида кремния как пассивирующего покрытия, а также возможности использования его для финишной зашиты бескор усных приборов.

Представленные результаты свидетельствуют об эффективности разработанных нами м икропроцессорных установок и используемых методик для контроля Р11 и ЗП на различных стадиях технологического процесса произг детва, а также для лабораторных исследований структур ДГ1.

Отметим также, что на различных этапах технологического процесса в структуре ДО появляется внутренние механические напряжения, от уривня которых ;ависит 1рлый ряд физических и злек трофизических характеристик структуры (например, ширина запрещенной зоны, подвижность носителей и т.д.), а также рабочие па раметры готовых приборов. Вследствие этого, корректный расчет ВМН представляется важным с практической и физической точек зрения.

В пятой главе представлены результаты расчетов на ЭВМ упругих напряжений в слоистых полупроводниковых структурах с соотношением толщин олоеч близких к рэальнь/м. Для решения этой за эчи испси.. аован метод конечных элементов (МКЭ). Чами получены диаграммы распределения ВМН в пластине ЗЛЗЮ2 с соотношением толщин слоев 60:1. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. Максимальные напряжения в кремниевой подложке сосредото чены у границы раздела " 02-Б1. Однако распределение ВМН по глу айне образца, как показал настоящий расчет, является нелинейным.

2. Напряжения

в пленке БЮр сла-"'^ зависят от направления в плоскости образца и иравишаш- еу и л на 1*2 порядка.

3. Нвпряшния растяжения в кремнии вблизи ГР возрастай! в плоскости ) при удалении от 1н.--трч плэетш. Напригс'ния'

скатив у тыльной стороны пластины кремния, наоборот, уменьшаются с /рибликепием (в плоскости) к крага пластины.

4. Нейтральная плоскость во всех рассмотренных случаях на-хогогтея примерно на одинаковой глубине в кремн:л. соответствую шрй от ннжпея плоскости пластины.

В приложении приведены тексты программных модулей верхней.' и нижнего уровней, а таккр принципиальные схемы отдельных блоков автоматизированных установок.

ВЫВОДЫ.

1. Создана методика автоматизированного измерения спектральной зависимости а.д.с. фоточагшггного эффекта и расчета ре-коыбинацшшных параметров полупроводниковой структуры, а тзгаяе соответствующий аппаратно-программный комплекс, реализуются эту методику в реальном масштабе времени.

2. Разработан и созлзн оригинальный блок па тройки монохро-матора с аппаратно-программным управлением, позволяющий добитьег точпости настройки не уступающей ручной.

3. Минимум скорости поверхностной рекомбинации в полупроводниковых структурах ЭЗ-ЗЮ., .легированных бором достигается при энергии ионов равной 15 КэВ, причем бомбардировка шкет проводится как со стороны слоя диоксида, так и с тыльной сторонк При энергии ионов 40 КэВ достигается максимум времени жизни неосновных носителей, причем ггоиболшго» эффект дает бомбардировка структуры с двух сторон.

4. Максимальное времени жизни неосновных носителей и минимальная скорость поверхпостноя рекомбинации в структуре 51-510.,, лещювапной фосфором достигается при концентрации фосфора в% в слое диоксида (в случае диффузионного легирования) или при ион-пом дат ировании с ■'нергией бО КэВ и дозой 1,5 мкКл/смс\

5. Грким пассивации структуры 3*-3102 нитрилом кг°мния с температурой осаедэния яро <)00"С, скоростью осая'~?пия /0 - !-П

Л/мин, до Тмлшитг.! - 20 пм-!рплпят получить оптималшые (с точки зрения технологии производства излзлий микроэлектроники) значения . .ч.№>""1Г"фиэических ичцэмргрпв границы раздела кремне,: -цг1плрктрик, И.чп лучшей стаби.ютчции величия злек.рофизических пэра«отрсй ю.танпу с.топ нитрила ''лрл^ог увеличить до ВО нм.

6 Упругие МРТППИЧСС'ГИ" ттчпрпч'лшт п структурах кремний ■

iß

диоксид, возникающие при охлаждении от температуры формирования слоя диоксида до комнатной, рассчитанные на основании метода конечных элементов, имеют нелинейное распределение по глубине структуры, сосредоточены в области границы раздела, и в этой области умоньыэются от центра к краю пластины, ь то время как на тыльной стороне они в этом направлении увеличиваются.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публика. :ях:

1. НобОмшский Б.А., Дутов С.Д., Хрупкий В.К. Автоматизированная ycTi . ;Бка для измерения спектральной зависимости ЭДС фо-томагнитниго эффекта // Дизлв!..рики и полупроводники. 1990. вып. ЯЧ. с. 95- Ю.

2. Хруцкий В.К., Калиничеяко Ю.Н. Помохозащищенный блок управления оптической системой установки измерения ФМЗ, Вестник ИВ1, 1991, вып. 28, с. 84-85.

3. Новомшкжий ".А., Хруцкиа В.К., Петренко А.И. Поверхностная рзконбинаци! в структурах Si-Si0?, подвергнутых ионной ииябардировке В+// Диэлектрики и полупроводники, 1991, выи. 40, с. 34-37.

4. Новоиинскиа Б.А., К денко В.Ф., Толстякова И.В., Хруцкий В.К. Изменение электрофизических свойств структур при легировании фосфором слоев диоксида кремния // Диэлектрики и полупроводники, 1991, вып. 40, с. 37-40.

5. ; воминскиа Б.А., Когданко В.©., Лутов С.Д., Шевченко ' .С., руцкия В.К. Автоматизация комплексных вольт-фарадных измерений для задач меиоперационного контроля кремниевых МДП-структур.// Диэлектрики и полупроводникиД992, вып. 41,с.4в-52,

6. Новоминский Б.А., Хруцкия В.К, Временная деградация ;ектрофиз».ческих параметров структур Si-S102-Slgli . // Диэлектрики и полупроводники, 1992, вып. 41, с. 52-55.

7. КиЗлик В.Я., Новоминский Б.а., Труневич В.А., Хруцкм В.К. Определенно механических напряжений в системе диэлектрик-

полупроводник.//Диэлэкт! ки и полупроводники, 1992, вып.42.

* * *

Кы благодарны за иодпэржку Аме. иканскому Физическому пб с;эству, отмэтившму эту работу грантом Фонда Сороса.