Закономерности формирования и свойства межфазных границ в структурах кремний-диэлектрик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

КОТОВ Игорь Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И СВОЙСТВА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ В СТРУКТУРАХ КРЕМНИЙ-ДИЭЛЕКТРИК

Специальность 01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико — математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в отделе электроники твердого тела НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: Доктор физ.-мат. наук, профессор

Романов О. В.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук профессор Урицкий В. Я.

кандидат физ.-мат. наук доцент Монахов В. В.

Ведущая организация:

АОЗТ Светлана - Электронприбор

Защита диссертации состоится " Щ-ФМЛ^ 1998 г.

в О_часов на заседании диссертационного Совета Д.063.57.32 по

защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Отзывы просим отправлять по адресу: 198904, Санкт-Петербург, Ульяновская 1, НИИФ СПбГУ, диссертационный Совет Д.063.57.32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан ¿Ц^^ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физ.-мат. наук

Соловьев В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электрофизические свойства базовых в полупроводниковой электронике структур кремний - диэлектрик в значительной мере определяются характером процессов, протекающих в изолирующих слоях. Большой исследовательский интерес представляют природа, причины и механизмы возникновения дефектов и их распределение. Такие, имеющие самостоятельную научную и практическую значимость, параметры диэлектриков как встроенный заряд, поверхностные состояния, электронные и дырочные ловушки, изменение скорости химического травления являются проявлениями электрической и химической активности дефектов. Согласно данным по ИК-спектроскопии, масс-спектроскопии вторичных ионов, оже-спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии и другим установлено, что именно слои вблизи межфазных границ являются областями повышенной дефектности. В то же время, качество границ раздела обуславливает рабочие характеристики, стабильность и надежность ряда базовых электронных приборов, таких, как МДП-транзисторы, структуры ПЗС, элементы ОЗУ и ПЗУ, оптоэлектронные преобразователи.

В наибольшей степени свойства приграничных областей определяют параметры сверхтонких диэлектрических слоев (толщиной менее 10 нм). Такие слои в связи с требованиями микроминиатюризации предполагается использовать в технологии СБИС уже в ближайшей перспективе, что обуславливает практическую важность их изучения. Научный интерес к исследованшо сверхтонких диэлектрических пленок вытекает из того, что даже при использовании одной и той же технологии сверхтонкие диэлектрические слои существенно отличаются механизмами формирования от тонких (толщиной менее 100 нм) слоев и имеют отличающуюся дефектность.

Таким образом, изучение дефектов в диэлектриках на поверхности кремния является актуальным направлением как в научном, так и в практическом плане. Одним из способов решения этой проблемы является изучение пространственных распределений электрически и химически активных дефектов вблизи границ раздела кремний - диэлектрик и диэлектрик - внешняя среда и их сопоставление с объемными характеристиками диэлектриков.

Проблема изучения строения и свойств диэлектриков на поверхности

кристаллического кремния с точки зрения дефектов и их зарядового состояния и химической активности, в частности, включает в себя следующие нерешенные вопросы:

1. установление связи между механизмами формирования диэлектриков и их дефектностью с точки зарядового состояния и химической активности;

2. выявление роли подложки в формировании пространственных распределений электрически и химически активных дефектов;

3. сопоставление роли деградации при контакте с внешней средой и роли технологии в формировании МФГ диэлектрик - атмосфера с точки зрения пространственного распределения электрически активных дефектов.

Цель работы заключалась в изучении электрофизических свойств и пространственных распределений электрически и химически активных дефектов в структурах кремний - диэлектрик и разработке соответствующей методики измерений.

В соответствии с целью были использованы следующие подходы к получению ответов на поставленные нерешенные вопросы:

1. сопоставление свойств тонких и сверхтонких диэлектриков, что позволяет установить взаимосвязь между дефектностью качественно различных слоев различной толщины (4-65 нм) и механизмами их формирования;

2. использование различных подложек (n-Si (100), p-Si (100), (111), 1—45 Ом-см; предокислительные обработки: перекисно-аммиачная, сернокислая);

3. использование диэлектриков различной природы: сформированных непосредственно из атомов кремниевой подложки (оксид кремния), сформированных при осаждении слоев, содержащих атомы кремния (нитрид кремния), сформированных при осаждении слоев, не содержащих кремния (оксид тантала);

4. использование различных механизмов (технологий) формирования: термический сухой, термический влажный и плазмохимический окислы, сформированные соответственно при 1050°С, 960°С и 400°С, а также применение отжига;

5. использование контактов с внешней средой с вариациями по длительности для окислов кремния различных методик окисления (термический сухой, термический влажный, плазмохимический).

Задачи данного исследования делятся на 2 группы:

1. На основе эффекта поля в электролитах разработать методику получения с субнанометровым разрешением по толщине пространственных распределений заряда и зависимостей локальной скорости химического травления от толщины в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния.

2. Используя разработанную методику

получить пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких пленках оксида кремния, нитрида кремния и оксида тантала на поверхности кремния;

определить глубину залегания фиксированного заряда и положение его центроида;

установить влияние технологических факторов, физико-химических воздействий и толщины на пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких пленках оксида кремния, нитрида кремния и оксида тантала на поверхности кремния.

Решение перечисленных выше научных и практических задач требует разработки адекватных методов контроля электрофизических параметров тонких и сверхтонких диэлектрических слоев на кремнии с субнанометровым разрешением по толщине. Использование эффекта поля в электролитах и применение методики непрерывного травления диэлектрика, а также использование эллипсометрии, позволяет осуществлять такой контроль, совмещая его с проведением различных физико-химических воздействий.

Научная новизна работы.

1. Методика непрерывного травления диэлектрика в сочетании с эффектом поля в электролитах впервые применена к исследованию пространственных распределений электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках на поверхности кремния.

2. На основе разработанной методики получены пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в диэлектрических пленках термического сухого, термического влажного, плазмохимического оксвдов кремния, нитрида кремния и оксида тантала на поверхности кремния.

3. Прямыми измерениями показано, что с точностью до 0.5 им глубина залегания фиксированного заряда в оксиде кремния составляет не более 2.5 им для тонких пленок и не более 1 нм для сверхтонких пленок от поверхности кремния.

4. Установлено, что характер пространственного распределения заряда вблизи МФГ диэлектрик - атмосфера определяется как технологией формирования слоев, так и контактом с внешней средой и практически не зависит от свойств подложки.

Защищаемые положения:

1. Методика получения пространственных распределений заряда и зависимостей локальной скорости травления от толщины диэлектрика в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния с субнанометровым разрешением по толщине.

2. Экспериментально полученные пространственные распределения заряда и зависимостей локальной скорости травления от толщины диэлектрика с субнанометровым разрешением по толщине в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния.

3. Оценка положения центроида фиксированного заряда и выполненное прямыми измерениями определение верхней границы глубины его залегания.

4. Закономерности формирования пространственного распределения заряда вблизи внешней границы диэлектрика.

Практическая значимость:

1. Разработан экспрессный способ контроля ряда важнейших электрофизических параметров ДП-структур: встроенный заряд, поверхностные состояния, скорость химического травления и их толщинных зависимостей с субнанометровым разрешением.

2. Проведено исследование используемых в настоящее время в технологии сверхбольших интегральных схем структур кремний - диэлектрик с диэлектриками толщиной 4+65 нм. Исследовавшиеся структуры получены в промышленных условиях. Установленные результаты о влиянии толщины диэлектрика, типа предокислительной химической обработки (ПХО), кристаллографической ориентации поверхности, типа и уровня легирования кремниевой подложки на зарядовые свойства границ кремний - диэлектрик и диэлектрик - атмосфера и параметры диэлектриков могут бьггь использованы для оптимизации технологических процессов при производстве СБИС.

3. Проведено исследование перспективных для использования в технологии СБИС высокой степени интеграции структур кремний -сверхтонкий (<10 нм) оксид кремния. Установленные результаты о влиянии типа предокислительной Химической обработки, кристаллографической ориентации поверхности, типа и уровня легирования кремниевой подложки на зарядовые свойства границ кремний - оксид кремния и оксид кремния - атмосфера и параметры оксида могут быть использованы для разработки технологических процессов производства СБИС.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Электрическая релаксация в высокоомных материалах» (Санкт-Петербург, Россия, 1994 г.), «Formation of Semiconductor Surfaces» (Princeton, USA, 1995), «Solid State Devices and Materials», (Osaka, Japan, 1995), «Дизлектрики-97» (Санкт-Петербург, Россия, 1997 г.), «17th European conference on Surface Science» (Enschede, Netherlands, 1997), «Fourth Nordic Conference on Surface Science» (Alesund, Norway, 1997); международном симпозиуме «Ultra Clean Processing of Silicon Surfaces» (Antwerp, Belgium, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит го введения, 4 глав, заключения и списка литературы; всего содержит 179 страниц, 3 таблицы, 61 рисунок, библиографии 219 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность проблемы, поставлены задачи исследования, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе «Методика экспериментального изучения структур полупроводник - диэлектрик в контакте с электролигами» приведено описание метода эффекта поля в электролитах, изложены принципы измерений, описаны конструкции и указаны режимы работы использованного оборудования, обоснованы методики вычислений, проведен комплексный анализ погрешностей измерений.

Сущность метода эффекта поля в электролитах состоит в изучении того, как меняются характеристики структуры, находящейся в ко такте с электролитом, под действием приложенного внешнего поля. В качестве

базового электролита был выбран нейтральный трехнормальный водный раствор КС1, не являющийся ни окислителем, ни растворителем по отношению к исследовавшимся диэлектрикам, не загрязняющий поверхность и обладающий хорошей проводимостью.

Методика непрерывного травления заключается в измерении на основе эффекта поля параметров системы полупроводник - диэлектрик -электролит непосредственно в процессе растворения диэлектрика в специально подобранном травящем электролите. Непрерывное травление диэлектриков осуществлялось в базовом электролите с добавлением плавиковой кислоты. Для оксида кремния использовались концентрации от 0.025% до 1% НР, для шприда кремния - от 0.1% до 1% для оксида тантала - от 10% до 20% НР.

Исследования проводились в 3 этапа. На первом, предварительном этапе при послойном стравливании диэлектрика фиксируются темновые и световые вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, анализ которых позволяет установить зависимости от толщины диэлектрика плотности ПС и характера проводимости оксида. Кроме того, зависимость емкости оксида от времени его травления позволяет вычислить калибровочную кривую измерения емкости системы, соответствующей состоянию плоских зон в полупроводнике.

На втором этапе в процессе травления диэлектрика одновременно фиксируются 2 характеристики: электродный потенциал от времени и емкость структуры от времени. При этом путем изменения потенциала емкость структуры поддерживается равной рассчитанной емкости, при которой в ОПЗ полупроводника формируется состояние «плоских зон». Таким образом, непрерывно фиксируется зависимость потенциала плоских зон от времени УРВ(1). Периодически кратковременно производится измерение максимальной емкости структуры, которая, как предполагается соответствует емкости диэлектрика Сох(^. Из зависимостей Уга(Х) и ¿ох(0,

ВЫВОДИТСЯ Урв((10х).

На третьем этапе исключается измерение толщины диэлектрика и происходит повторное снятие зависимости потенциала, соответствующего состоянию плоских зон в полупроводнике, от времени травления для сопоставления с зависимостью, полученной на втором этапе и устранения погрешностей, связанных с измерениями толщины.

Таким образом, основным результатом измерений является получение зависимостей потенциала, соответствующего состоянию плоских зон в

кремнии, и эффективной толщины диэлектрика от времени, которые характеризуют соответственно электрофизические и химические свойства пленок.

Применение эллипсометрии позволяет оценить погрешность измерения толщины тонких (>10 нм) диэлектриков, для которых рассогласование с емкостными методами составляет не более 5%; для сверхтонких пленок (<2 нм) имеется некое соответствие и монотонность между реальной и эффективной, полученной емкостными методами, толщинами.

Достоверная интерпретация экспериментально полученных зависимостей потенциала, соответствующего состоянию плоских зон в кремнии, от эффективной толщины диэлектрика вблизи межфазной границы кремний - оксид кремния осложнено по ряду причин: необходимостью учета возможного изменения плотности БПС и их влияния на емкость системы кремний - оксид кремния - электролит вблизи плоских зон; неточностью определения емкости плоских зон системы кремний - оксид кремния -электролит, которая связана с погрешностью определения толщины; локальной неоднородностью травления окисла; возможным изменением падения потенциала в слое Гельмгольца при переходе от границы оксид -электролит к границе кремний - электролит; возможной перестройкой системы зарядов. Данные факторы указывают на необходимость дальнейших независимых структурных и физико - химических исследований в области толщин менее 1 - 2 нм.

Таким образом, в первой главе показано, что разработанная методика непрерывного травления в сочетании с эффектом поля в электролитах позволят получать пространственные распределения электрически и химически активных дефектов с субнанометровым разрешением в диэлектриках различной природы на поверхности кремния.

Во второй главе «Электрически и химически активные дефекты в структурах кремний - оксид кремния» приведены полученные экспериментальные данные о пространственных распределениях встроенного заряда; толщинных зависимостях плотности быстрых поверхностных состояний в локальном максимуме их энергетического распределения, локальной напряженности электрического поля и локальной скорости травления в водном растворе 0.1% НГ в слоях плазмохимического, термических сухого и влажного оксидах кремния в диапазоне толщин 4-65 нм, сформированных на кремниевых подложках п- и р - типов с удельным

сопротивлением 4-20 Ом см, кристаллографическими ориентациями поверхности в плоскости (100) и (111), прошедших сернокислую или перекисно - аммиачную предокислительную химическую обработку. В начале главы приведен краткий литературный обзор по данным вопросам.

Плотность заряда в средней части для всех исследованных, образцов не имеет экстремумов находится в пределах р<±1-1017 1/см3 для плазмохимического и р<±1-1016 1/см3 для сухого и влажного оксидов. Локальная скорость травления постоянна в этой области для всех окислов, ее величина составляет соответственно V<hs=1.5-10~2 нм/с, 1.7-10'2 нм/с, 2.6-10~2 нм/с для сухого, влажного, плазмохимического окислов. На основе постоянства рассмотренных характеристик сделан вывод о высокой однородности объема всех оксидов по химическому составу и структуре.

Параметры слоев, прилегающих к границам окислов существенно отличаются от объемных показателей для всех исследованных структур. Это проявляется в пространственных распределениях как электрически, так и химически активных дефектов.

Изменение структурно-химических свойств диэлектриков вблизи границ оксидов отражается в сложном поведении локальной скорости растворения Vdis в этих областях и представляет собой U - образную зависимость вблизи внешней границы и снижающуюся - к внутренней для всех исследованных слоев вне зависимости от химического состава, методики формирования, параметров подложки.

Плотность заряженных дефектов вблизи внешней границы определяется как технологией формирования покрытия, так и действием внешних факторов и не зависит от кристаллографической ориентации, типа и уровня легирования подложки, вида предокислигельной химической обработки. Для сверхтонких пленок оксида кремния (подложки: p-Si (100), (111), 10-20 Ом-см; предокислигельные обработки: ПАС, СК, толщины оксидов: 4 нм) наблюдается следующее распределение: ближе к внешней границе находится слой отрицательного, а далее от границы -положительного зарядов с приблизительно совпадающими плотностями I р I ~1-1021 1/см3. В то же время пространственное распределение электрически активных дефектов вблизи внешней границы качественно отличается у термических и плазмохимического тонких окислов кремния (подложки: n-Si (100), p-Si (100), 7.5 Ом-см; окисление: сухое при 1050°С, влажное при 960°С, плазмохимическое при400°С; толщины оксидов: 30-65

и

нм) и состоит из слоев положительного ближе к границе и отрицательного далее от границы зарядов с плотностями | р I «4-1014 1/см3 в первом случае и отрицательного заряда с плотностью р»-1-1019 1/см5 во втором.

С целью более глубокого осмысления природы заряженных дефектов проводилось изучение деградации структур кремний - оксид кремния при контакте с внешней средой. Деградация внешней границы в лабораторной атмосфере происходит по сходным механизмам в сухом и влажном оксидах кремния. За 1 час формирования внешней области диэлектриков в приповерхностных слоях около 1 нм от границы формируется слой отрицательного заряда с максимальной плотностью р«~8-10'9 1/см3. Далее в период до 30 суток происходит постепенное уширение области локализации заряженных дефектов и формирование и - образного распределения. Понижение плотности отрицательного заряда непосредственно на границе указывает на появление в этой области положительно заряженных дефектов. На пространственных распределениях, полученных через 100 суток после начала формирования внешних слоев, толщина переходного слоя составляет около 4 нм, при этом непосредственно на границе преобладает положительный заряд с максимальной плотностью р~+9-1019 1/см3, а далее -отрицательный с максимальной плотностью р=—5-1014 1/см3, что на качественном уровне аналогично внешней границе образцов, находившихся после окисления 700 суток в лабораторной атмосфере. Существенно иной механизм деградации в лабораторной атмосфере гшазмохимического оксида. В этом случае не происходи! каких-либо существенных изменений внешней границы. Поскольку плазмохимический окисел по сравнению с термическими окислами кремния имеет повышенный коэффициент диффузии, то, значит, диффундировавшие частицы, вызывающие образование заряженных дефектов, распределены в нем в некоторой степени равномерно, т.е. их действие взаимно компенсируется; таким образом, деградация внешних слоев при контакте с внешней средой, видимо, имеет диффузионный характер.

Наибольшие изменения в пространственных распределениях заряженных дефектов и зависимостях локальной скорости химического растворения от толщины приходятся на область вблизи границы раздела диэлектриков с кремнием. При этом протяженность переходных слоев 1л не зависит от вида предокнслительной химической обработки поверхности, типа и уровня легирования подложки и подчиняется соотношению

1П(111)>1П(100). Произведена оценка положения центроида фиксированного заряда в оксиде кремния: 0.1-ЯЛ нм - дтя тонкого сухого на подложке п-типа, 0.2И.2 нм - для тонкого сухого на подложке р-типа, 0+0.5 нм - для сверхтонкого тонкого сухого на подложке р-типа с ориентацией (100), 1+0.5 нм - для сверхтонкого тонкого сухого на подложке р-типа с ориентацией (111).

Величина встроенного заряда на МФГ кремний - оксид кремния определяется технологией формирования слоев (возрастает в ряду сухой, влажный, плазмохимический оксид и составляет Qf=3.9-10" 1/смг, 4.5-10" 1/см2, 9.9-10й 1/см2 соответственно), кристаллографической ориентацией подложки СШ11)>СМ100), предокислпгельной химической обработкой Q((CK)>Qi(nAC); практически не зависит от толщины оксида, типа и уровня легирования подложки. Распределе1ше заряженных дефектов для всех исследованных систем кремний - диэлектрик вблизи внутренней МФГ представляет собой либо структуру положительный - отрицательный заряд, либо структуру отрицательный - положительный - отрицательный заряд. При этом первая ситуация характерна для структур, не подвергавшихся значительным физико-химическим воздействиям на подложку (сухое и влажное термическое окисление), вторая - для структур с тем или иным образом деформированной подложкой (плазмохимический и все сверхтонкие окислы).

Энергетическое распределение плотности ПС для всех структур кремний - оксид кремния характеризуется либо одним (Esi-Ev~-0.7 эВ), либо двумя локальными максимумами (Ess-Ev=:0.4 эВ, Ess-Ev=0.7 эВ). Первая ситуация характерна для образцов p-Si (100) 4-11 Ом-см dox=30 нм, плазмохимическое окисление и p-Si (100) 20 Ом-см d0Ii=4 нм, предобработки в СК и ПАС, сухое окисление; вторая - для образцов n-Si (100), p-Si (100) 7.5 Ом-см dos=39-65 нм, сухое и влажное окисления.

Резюмируя, технологические приемы формирования диэлектриков определяют параметры переходных слоев вблизи внешней границы оксида, объема диэлектриков и интегральные величины переходных слоев вблизи внутренней границы; ПХО и кристаллографическая ориентация подложки влияет на интегральные величины переходных слоев вблизи внутренней границы; подложка определяет распределения электрически и химически активных дефектов вблизи внутренней границы кремний - оксид кремния.

В третьей главе «Электрически и химически активные дефекты в

структурах кремний - оксид кремния - нитрид кремния и кремний - оксид тантала» приведены полученные экспериментальные данные о пространственных распределениях встроенного заряда; толщинных зависимостях локальной скорости травления диэлектрика в кремний - оксид кремния - нитрид кремния и кремний - оксид тантала. Оксид кремния в НОП - структуре был сформирован посредством термического окисления кремния, нитрид кремния - пиролизом; оксиды тантала были осаждены при распылении Та205 ионным пучком и при реактивном распылении Та ионным пучком. В начале главы приведен краткий литературный обзор по данным вопросам.

Плотность заряженных дефектов в срединной части диэлектриков возрастает в ряду термический оксид кремния, оксид тантала, нитрид кремния, и соответственно составляет р<±1-10'6 1/см3, р<±1-1017 1/см3, р<±5 1017 1/см3. Между тем, оксид и нитрид кремния характеризуются постоянством локальной скорости растворения в отличие от оксида тантала, для которого скорость растворения срединной части является монотонно спадающей характеристикой. Таким образом, электрофизические параметры ухудшаются в ряду оксид кремния, оксид тантала, нитрид кремния, а химические - в ряду оксид кремния, нитрид кремния, оксид тантала.

Вблизи внутренней МФГ распределение заряженных дефектов для всех исследовашнж систем кремний - диэлектрик представляет собой либо структуру положительный - отрицательный заряд, либо структуру отрицательный - положительный - отрицательный заряд. Первая ситуация характерна для структур с окевдами тантала, сформированных при распылении Та205 ионным пучком и реактивном распылении Та, вторая -НОП - структуры. Как для НОП - структур, так и для всех исследованных структур кремний - оксид тантала скорость травления снижается к внутренней границе.

Характер пространственного распределения заряженных дефектов вблизи внешней границы определяется технологией формирования диэлектрических слоев. Скорость травления в этой области либо понижается к границе (оксид тантала, нанесенный при распылении ионным пучком, до отжига; оксид тантала, нанесенный при реактивном распылении ионным пучком, после отжига), либо имеет и - образную зависимость (НОП - структура; оксид тантала, нанесенный при распылении ионным пучком, после отжига).

Отжиг приводит к значительным перестройкам в объеме диэлектриков. В случае оксида тантала, сформированного путем распыления Та205 ионным пучком отжиг привел к количественным изменениям объемных параметров: к понижению плотности заряженных ловушек с р<±М017 1/см3 до р<±11016 1/см3 и к качественным изменениям слоев вблизи внешней границы: изменению знака заряда с положительного на отрицательный (р«+5-1018 1/см3 до отжига и рк-3-1019 1/см3 - после); область вблизи внутренней границы претерпела незначительные количественные изменения.

Таким образом, в третьей главе представлены данные о пространственных распределениях электрически и химически активных дефектов, протяженности переходных слоев интегральных характеристиках межфазных границ в структурах кремний - оксид кремния - нитрид кремния и кремний - оксид тантала полученных при применении методики непрерывного травления в сочетании с эффектом поля в электролигах. Показана применимость методики непрерывного травления в сочетании с эффектом поля в электролитах для диэлектрических покрытий различной природы, сформированных на кристалле кремния.

В четвертой главе «Влияние электрофизических и химических воздействий на пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в структурах кремний-оксид кремния» приведены полученные экспериментальные данные о влиянии термического отжига, анодного и катодного воздействий на пространственные распределения заряда и на толщинные зависимости локальной скорости травления плазмохимического, термических сухого и влажного оксидах кремния в диапазоне толщин 4-65 нм, сформированных на кремниевых подложках пи р - типов с удельным сопротивлением 4-20 Ом см, кристаллографическими ориентациями поверхности в плоскости (100) и (111), прошедших сернокислую или перекисно - аммиачную предокислительную химическую обработку. В начале главы приведен краткий литературный обзор по данным вопросам.

Параметры сухого и влажного оксидов кремния в результате отжига практически не изменяются; плазмохимического - претерпевают качественные изменения: плотность заряда в объеме снижается до уровня р<±5'1016 1/см3, локальная скорость растворения в объеме приобретает линейный монотонно спадающий характер; вблизи внешней границы заряд меняет знак с отрицательного на положительный, зависимость локальной

скорости растворения изменяет характер с U-образного на понижающийся к внешней границе; вблизи внутренней границы распределение заряда и зависимость скорости травления практически не изменяются, фиксированный заряд уменьшается до величины Qf=1.410" см'2.

Анодное воздействие как для сухого, так и для влажного окислов приводит к значительным изменениям области вблизи внутренней границы: к уменьшению встроенного заряда вблизи внутренней МФГ практически до нулевых значений, к изменению характера распределения заряда с положительный - отрицательный на отрицательный - положительный -отрицательный, к росту плотности ПС. Значительно возрастает и приобретает качественно новый характер скорость травления.

Катодное воздействие приводит к появлению положительного заряда, релаксирующего к нулевой величине с характерным временем спада в е раз около 40 с. Высказаны предположения, что образование этого заряда происходит в результате действия ионов водорода.

Таким образом, в четвертой главе показано влияние отжига, анодного и катодного воздействий на пространственные распределения заряда в структурах кремний - оксид кремния.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе эффекта поля в электролитах разработана методика получения пространственных распределений заряда и зависимостей локальной скорости химического травления от толщины в тонких и сверхтонких диэлектрических пленках различной природы на поверхности кремния.

2. Получены пространственные распределения электрически и химически активных дефектов в тонких и сверхтонких пленках оксида кремния и оксида тантала на поверхности кремния, а также в структуре кремний -оксид кремшм - шприд кремния.

3. Прямыми измерениями показано, что глубина залегания фиксированного заряда в оксиде кремния составляет не более 2.5 нм для тонких слоев и не более 1 нм - для сверхтонких; произведена оценка положения его ценгроида; установлено, что положение центроида зависит от кристаллографической ориентации поверхности и составляет 0.9+0.5 нм для поверхности (111) и 0+0.5 нм - для (100).

4. Установлено, что характер пространственного распределения заряда вблизи МФГ диэлектрик - атмосфера определяется как технологией формирования слоев, так и контактом с внешней средой и не зависит от свойств подложки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОТРАЖЕНО В ПУЛИКАЦИЯХ

1. Romanov О. V., Kotov I. A. Charge distribution into super thin Si02 films on monocrystalline Si for different oxidation processes. - Ext. Abstracts of the Int. Conf. «Relaxation-94», St-Petresburg, Russia, p. 83-84 (1994).

2. Romanov О. V., Kotov I. A., Bershev N. E., Letavin V. P. In-depth nanoscale distribution and relaxation of intrinsic charged traps into Si02 films on Si. - Ext. Abstracts of the Int. Conf. ICFSI - 5, Princeton, USA, p. 10-11 (1995).

3. Romanov О. V., Kotov I. A., Hee-Chul Lee VLSI technology evaluation and precautions: a novel veiw of the Si02 layer properties in the nano- and sub-nanoscale. - Book of the Ext. Abstracts of the Int. Conf. SSDM - 95, Osaka, Japan, p. 1047-1048 (1995).

4. Романов О. В, Котов И. А. ФТП, 30, 707 (1996).

5. Romanov О. V., Kotov I. A., Letavin V. P. Three-zones «in-depth» distribution of the intrinsic charged traps throughout Si02 on Si on the nanoscale. - Proceedings of the Int. Sump. UCPSS - 96, Antwerp, Belgium, p. 141-144 (1996).

6. Romanov О. V., Kotov I. A. Semiconductors, 30, 381 (1996).

7. Romanov О. V., Kotov I. A., Letavin V. P., Moon D. W. New experimental approach to investigation of solid state with insulator layers. - Book of the Ext. Abstracts of the Int. Conf. NCSS - 4, Alesund, Norway, p. 128-129 (1997).

8. Romanov О. V., Kotov I. A., Moon D. W. Electronic, electric and physical-chemical properties of Ta205/Si system. - Сборник тезисов международной конференции «Диэлектрики - 97», Санкт-Петербург, Россия, (1997).

9. Romanov О. V., Bershev N. Е., Kotov I. A Oxidation and reduction of silicon surface on the subnanoscale. - Abstracts of the 17th European conf. on Surface Science, Enschede, Netherlands, (1997).