Вплив процесу окислення на дефектоутворення в легованому кремнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Вплив процеса окислення на дефектоутворення в легованому кремнію

Яцунський І.Р.

01.04.10 Фізика напівпровідників та діелектриків

Одеса - 2009

Вступ

Актуальність теми. На думку відомих фахівців, працюючих в провідних організаціях, що виробляють електронну техніку, кремній та структури на його основі будуть залишатися основним матеріалом для виробництва елементної бази сучасної електроніки ще як мінімум сто років. Перехід від мікронних і субмікронних розмірів елементів електронної техніки до нанорозмірних елементів висуває підвищені вимоги до структурної досконалості вихідного напівпровідникового матеріалу й технології виготовлення приладів. Якщо у випадку мікронних розмірів елементів у зоні просторового заряду одного структурного дефекту розташовувалися до десятка елементів, то, у випадку нанорозмірних елементів у зоні просторового заряду дефекту розташовуються десятки тисяч елементів, електрична провідність яких може бути інвертована. Відсоток виходу придатних елементів при цьому суттєво знижується. Встановлено, що дефекти у вихідному напівпровідниковому матеріалі впливають на процес дефектоутворення при проведенні різних технологічних операцій, однак, механізм цього впливу не був до кінця вивчений.

Кремнієві структури діоксид - напівпровідник (Si - SiO2) є одним із основних елементів мікроелектроніки (ПЗЗ - матриці, процесори, сенсори, нано - випромінюючі структури). Визначення й вивчення процесів, що приводять до деградації параметрів приладів на основі даної структури, сприяє їхньому усуненню й подальшої модернізації конструкції, більш надійної і довговічної. Залишаються не вивченими механізми впливу дефектів на характеристики та параметри польових МОН - структур (метал - оксид - напівпровідник).

Механічні напруження в напівпровіднику, обумовлені неоднорідним розподілом легуючої домішки, що перевершують критичне механічне напруження утворення дефектів(поріг пластичної текучості), є джерелом утворення дефектів, вид і розподіл яких визначається параметрами легуючих атомів і умовами легування.

Незважаючи на деяку кількість робіт у цьому напрямку, механізми й закономірності формування структури приповерхніх областей кремнію в системі Si - SiO2 вивчені недостатньо повно. Не визначені закономірності впливу параметрів утворених складних структур приповерхневої області кремнію в системах діоксид кремнію - кремній на параметри приладів на їх основі.

Таким чином, тема дисертаційної роботи є актуальною й перспективною з погляду використання її результатів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі експериментальної фізики ОНУ ім. І.І. Мечникова та у Навчально-науковому виробничому центрі ОНУ імені І.І.Мечникова. Тема дисертації пов'язана з держбюджетними та господарчо-договірними темами:

1. «Дослідження адитивного вкладу у результуючий відгук приповерхневих станів у структурах оксид кремнію - кремній при опромінені іонізуючим випромінюванням» (номер держреєстрації 0103U007549);

2. «Створення узагальненої теорії магніточутливих структур» (номер держреєстрації 0103U007548);

3. «Дослідження радіаційних дефектів на межі розділу діелектрик - напівпровідник» (номер держреєстрації 0103U007547).

Мета роботи: з'ясування впливу процесу окислення на механізми дефектоутворення у легованому кремнії. Розробці топологічної моделі приповерхніх шарів кремнію в структурі Si-SiO2. Виявленню закономірностей деградації параметрів приладів на основі структур Si-SiO2 залежно від параметрів реальної структури приповерхньої області кремнію. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:

Дослідження домішкових сполук, розподілу легуючої домішки по поверхні, глибині пластин вихідного кремнію, приповерхневої структури кремнію с системах Si-SiO2;

Моделювання топологічних процесів струмопереносу в системах діоксид кремнію - кремній, метал - кремній, з врахуванням реальної структури приповерхневих шарів кремнію;

3. З'ясування механізмів впливу дефектів на параметри приладів на основі МОН - структур;

Об'єктом досліджень є окислений легований монокристалічний і эпітаксіальний кремній у структурах Si-SiO2.

Предметом дослідження є процеси дефектоутворення у легованому кремнію при високотемпературному окисленні.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі завдань були використані наступні експериментальні методи: електронна скануюча мікроскопія (Cam Scan`-4 D з системою енергетичного дисперсійного аналізатора `Link- 860), ОЖЕ - електронна спектроскопія (спектрометр LAS-3000 фірми Riber), вторинна іонна мас - спектрометрія (анализатор `Cameca- 3F), оптичні методи досліджень за допомогою металографічного мікроскопа (ММР - 2Р), рентгенівський метод двухкристальной спектрометрії (ДРОН-2), методи виміру вольт - фарадних характеристик та вольт - амперних, моделювання фізико - хімічних процесів.

Наукова новизна полягає в тому, що в роботі вперше:

Встановлено, що в процесі окислення в приповерхній області кремнію в структурах діоксид кремнію - кремній формуються механічні напруги й деформації, які по величині перевищують поріг пластичної течії кремнію. Величина цих механічних напруг залежить від параметрів процесу окислення й легування, параметрів утвореного діоксида кремнію й наявності первинних дефектів у ньому.

Доведено, що у результаті появи механічних напружень і деформацій у приповерхневій області кремнію утворюється складна структура, що складається з області сильно разупорядкованого кремнію й області, яка містить дислокаційні сітки. На межі області разупорядкованого кремнію й області дислокаційних сіток спостерігається стрибок величини механічних напруг, що виникає внаслідок прискореної дифузії кисню уздовж структурних дефектів у процесі окислення, що й приводить до стрибка рівнів захоплення електронів. Ширина приповерхньої області кремнію, що містить разупорядкований кремній і дислокаційні сітки залежить від рівня локалізованих на межі розподілу діоксид кремній - кремній механічних напруг.

Встановлено, що спостережуваний спектр фотолюмінесценції, обмірюваний при опроміненні наноструктурованного кремнію, отриманого методом хімічного травлення структур діоксид кремнію - кремній, пов'язаний із процесом близнюковой (не екситоной) рекомбінації, яка відбувається в умовах дії квантово - розмірного ефекту.

Необхідність моделювання топології МОН - структури й процесу струмопереносу в польовий кремнієвої МОН - структурі визначається встановленим фактом відхилення експериментальних вольт - амперних характеристик від теоретично розрахованих і впливом реальної структури приповерхневої області кремнію на цей процес.

Запропонована методика визначення величини механічних напруг і деформацій у кремнію на основі вивчення картини дефектоутворення в процесі окислення кремнію.

Встановлено, що більш слабка температурна залежність рухливості носіїв заряду в кремнію з урахуванням дислокацій, чим у випадку їх відсутності, пояснюється тим, що параметри дислокацій, що впливають на результуючу рухливість носіїв зарядів, залежать від температури меншою мірою , ніж у випадку електрон - фононного розсіювання.

Практичне значення отриманих результатів. Визначена реальна дефектна структура приповерхневих шарів кремнію в системі Si-SiO2, на основі якої побудована модель струмопереносу в інверсійному каналі МОН - приладів. Дана модель враховує факт розсіювання носіїв заряду на дислокаційних бар'єрах, які присутні у каналі. Глибокі рівні приповерхнього шару кремнію, які утворені границями блоків разупорядкованого кремнію, впливають на баланс між радіаційною чутливістю й термополевою стабільністю параметрів дозиметрів поглиненої дози іонізуючих випромінювань на основі польових МОН - транзисторів, що дозволяє поліпшити радіаційні й термопольові параметри дозиметрів на основі польових МОН - структур.

У процесі термічного окислення кремнію та шляхом хімічної обробки поверхні пластин, отримано хімічно - наноструктурований кремній, якій випромінює у видимій області спектра. Даний метод дозволяє одержувати фотолюмінісцентні структури в єдиному технологічному циклі виробництва мікроелектронних приладів з діоксидною ізоляцією. Існує можливість використання даного наноструктурованного кремнію в мікро й нано - електроніці не тільки як випромінюючого, але і як особливо міцного матеріалу.

Особистий внесок здобувача. Автор проводив виміри електрофізичних характеристик готових МОН - структур, за допомогою методу двохкристальної рентгенівської дифрактометріі досліджував приповерхню область кремнію в структурах Si-SiO2, використовуючи фотолюмінісцентний метод вивчав рекомбінаційні властивості хімічно модифікованого наноструктурованного кремнію Автор брав участь в аналізі результатів, отриманих з використанням сучасних методів дослідження (РЕМС, ВІМС, ОЖЕ - аналіз). Автором проведені основні розрахунки параметрів механічних напруг і деформацій в структурах Si-SiO2 , побудована модель струмопереносу в інверсійному каналі у польових кремнієвих МОП - структурах і струмопереносу скрізь бар'єр Шотки метал - кремній з урахуванням реальної структури приповерхньої області кремнію.

Інтерпретація і узагальнення одержаних експериментальних результатів, формування основних положень і висновків проведені спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати отримані в дисертації доповідались і обговорювались на 14 конференціях: 14 Міжнародна конференція СВЧ - техніка та телекомунікації (Севастополь, 2004), Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (Івано - Франківськ, 2005), Всеукраїнський з'їзд «Фізика в Україні» (Одеса, 2005), 6 Науково - практична конференція «Сучасні інформаційні та електроні технології» (Одеса, 2005), Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка і мікросистемні технології» (Одеса, 2006), 16 Міжнародна конференція СВЧ - техніка та телекомунікації (Севастополь, 2006), 7 Науково - практична конференція «Сучасні інформаційні та електроні технології» (Одеса, 2006), III Українську наукову конференцію з фізики напівпровідників (Одеса, 2007), 15th International Conference on Solid State Dosimetry (Delft, 2007), 17 Міжнародна конференція СВЧ - техніка та телекомунікації (Севастополь, 2007), 8 Науково - практична конференція «Сучасні інформаційні та електроні технології» (Одеса, 2007), 9 Науково - практична конференція «Сучасні інформаційні та електроні технології» (Одеса, 2008), 3 Міжнародна науково-технічна конференція «Сенсорна електроніка і мікросистемні технології» (Одеса, 2008), 18 Міжнародна конференція СВЧ - техніка та телекомунікації (Севастополь, 2008).

Публікації. Наведені в дисертації результати були опубліковані в 14 наукових працях у журналах, наукових збірниках, матеріалах, визнаних ВАК України як фахові та в 12 тезах конференцій. Загальна кількість складає 26 наукових друкованих праць.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку літературних джерел та висновків. Повний обсяг дисертації становить 183 друкованих сторінок, у тому числі 66 рисунків, 5 таблиць та списку використаних літературних джерел з 112 найменувань.

1. Основний зміст роботи

У Вступі обґрунтована актуальність теми, вказана мета роботи, визначені ії новизна і практична цінність.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу літературних даних з тематики дефектоутворення при проведенні технологічних процесів окислення, металізації та легування. Наводяться основні сучасні представлення про механізми дефектоутворення в монокристалічному, эпітаксіальному і наноструктурированому кремнії. Показується вплив вихідних дефектів монокристалічного кремнію на еволюцію дефектоутворення в процесі різних технологічних обробок. Представлені різні моделі й електричні властивості структурних і точкових дефектів у кремнії і їх вплив на параметри готових приладів.

У другому розділі надано опис об'єктів, що вивчаються, та методів експериментального дослідження процесів дефектоутворення в кремнію. Показана переваги й недоліки оптичних методів дослідження, способи підвищення здатності виявлення дефектів, за рахунок обробки поверхні хімічними вибірковими травниками. Описуються основні структурні блоки й характерні параметри (розв'язна здатність, енергія пучка тощо) таких методів дослідження як, ОЖЕ - спектрометрія, вторинна іонна - мас спектрометрія, електронна растрова мікроскопія, двохкристальна рентгенівська дифрактометрія. Наведені основні розрахункові залежності для методу зворотних вольтів - фарадних характеристик при дослідженні розподілу легуючої домішки по поверхні і в об'ємі пластин кремнію.

У третьому розділі представлені експериментальні дослідження процесів дефектоутворення в монокристалічному та епітаксіальному кремнію, в структурах діоксид кремнію - кремній.

У підрозділі 3.1. проведений порівняльний аналіз процесів дефектоутворення в монокристалічному і эпітаксіальному кремнію. Основними видами дефектів у вихідному монокристалічному кремнію є дислокації, дефекти шаруватої неоднорідності, кластерні скупчення атомів кисню або атомів надлишкового кремнію, дендрити металів і двійникові ламелі. Для эпітаксіального кремнію характерна присутність 600 дислокацій і дефектів шаруватої неоднорідності. Виявлені дефекти впливають на процес формування структури приповерхневих шарів кремнію під діоксидом кремнію.

У підрозділі 3.2. запропоновано механізм впливу дефектів вихідного кремнію на розподіл атомів легуючої домішки по поверхні й в об'ємі досліджуваних пластин кремнію. На розподіл концентрації атомів легуючої домішки впливають структурні дефекти і дефекті упакування, а точкові дефекти не виявляють істотного впливу, причому, вплив структурних дефектів на розподіл концентрації атомів легуючої домішки проявляється лише в процесах дифузії домішок уздовж структурних дефектів.

При дослідженні розподілу концентрації легуючої домішки атомів бору по поверхні пластин кремнію методом ВІМС встановлене, що легуюча домішка в більшості випадків рівномірно розподілялася по поверхні пластин. Виключення становили пластини із хвилеподібним розподілом концентрації легуючої домішки. Хвилеподібний розподіл концентрації легуючої домішки не може бути зв'язане зі структурними дефектами і також не може бути пов'язаний з недоліками процесу легування, тому що всі пластини кремнію легувалися в однакових умовах а також те, що структурні дефекти, дислокації й дефекти впакування, нерівномірно розподіляються по поверхні пластини. Аналіз, проведений за допомогою ОЖЕ - електронної спектроскопії дозволив установити, що максимуми розподілу концентрації легуючої домішки по поверхні пластин збігаються з максимумами розподілу концентрації кисню, що пояснюється взаємодією атомів кисню з легуючою домішкою. Спостережуваний шаруватий розподіл кисню зв'язаний із шаруватою структурою пластини кремнію. Атоми кисню мають тенденцію накопичуватися в областях з зміненим механічним деформаційним потенціалом (області розрядження).

У підрозділі 3.3. проведений порівняльний аналіз процесів високотемпературного й низькотемпературного окислення кремнію. Відносна поруватість низькотемпературного діоксида кремнію вище, ніж високотемпературного, що можна пояснити більш ефективними процесами зміцнення при високотемпературним окисленні. Поруватість діоксида кремнію залежить не тільки від умов його одержання, але й від дефектності вихідного кремнію. На процеси утворення джерел дефектів кристалічного типу (кристаболітів) впливають як умови вирощування діоксидів кремнію, так і дефектність вихідного кремнію, причому, кристалічна фаза у високотемпературному діоксиді кремнію не містить оксидів сторонніх домішок, а максимум щільності розподілу кристалічної фази припадає на межу діоксид кремнію - кремній.

У підрозділі 3.4. виявлені основні причини дефектоутворення в приповерхній області кремнію в структурах діоксид кремнію - кремній. У процесі формування оксидних шарів в приповерхніх областях кремнію утворюється складна структура, що аномально глибоко залягає, і яка складається із шарів разупорядкованого кремнію з пронизинами в нього областями оксиду, утвореного при прискореній дифузії кисню вздовж структурних дефектів (рис.1,а), далі ідуть шари кристалічного кремнію, що містять сітки дислокацій (рис.1,б), які декоровані окислами типу SiОx, потім розташовано шар кристалічного кремнію, що містить одиничні дислокації та лінії сковзання.

На підставі результатів електронно-мікроскопічних досліджень можна зробити висновок про те, що на певній глибині перехідного шару кремнію в структурах діоксид кремнію - кремній спостерігається стрибок щільності рівнів захоплення електронів, викликаний стрибком рівня механічних напруг. Для більш детального дослідження структури даної області був використаний метод рентгенівської двохкристальної спектрографії (рис.2).

Помітна зміна нахилу кривій в бік більших кутів говорить про присутність другого шару, що відбиває випромінювання. Шляхом Гауссової апроксимації визначений максимум малого піка й відповідно розрахована півширина кривої. Зсув максимумів і розширення кривих щодо ідеального еталонного зразка визначається декількома фізичними причинами: напруги 1 роду, які урівноважуються в обсязі всього зразка й викликають зсув дифракційних ліній. Напруги 2 роду урівноважуються в обсязі окремих кристалітів або блоків і викликають розширення ліній. Напруги 3 роду (статичні напруги) урівноважуються в межах невеликих груп атомів у границь зерен, площин ковзання.

Такі напруги можуть бути пов'язані з дислокаціями. Якщо спостерігається розширення 1 роду:

,

де в - розширення рефлексу. Якщо розширення 2 роду:

,

D - розмір кристалітів. У загальному випадку ширина ліній залежить також від чисто геометричних факторів умов зйомки. Таким чином, по розширенню дифракційних максимумів можна судити про структурні особливості досліджуваного кристала. Зроблений розрахунки параметрів показав наступне: зміна періоду решітки Да (малий пік) = 0,019Е, Да (основний пік) = 0,013Е. Напруги у (малий пік) = 3 108н/м2, у (основний) = 2,2 108 н/м2, розмір кристалітів D (малий пік) = 0,61 мкм, D (основний) = 0,87 мкм. Знаючи розширення двох порядків в1 і в2 відбиття від однієї й тієї ж системи площин можна провести якісну оцінку впливу факторів розміру кристалітів і мікронапруги. Як виявилося основний внесок у розширення виявляє дисперсність структури шару, а сам перехідний шар кремнію має складну морфологію й складається з як мінімум двох шарів, що відрізняються товщинами й розмірами блоків.

Для генерації даної складної дефектної структури необхідне перевищення значень механічних напруг порога пластичного течії для кремнію, що по розрахунках спостерігається на межі діоксид кремнію - кремній. Для пояснення ефекту поширення механічних напруг на таку аномально - високу глибину можна припустити, що за цей ефект відповідальна прискорена термодифузія кисню уздовж вихідних макродефектів, для яких коефіцієнт дифузії кисню на кілька порядків більше об'ємного, що приводить до появи додаткових механічних напруг.

Спостереження щільності дислокацій у вихідному кремнії показали, що місця підвищеної щільності дислокацій збігалися з меншим періодом дислокаційних сіток в окисленому кремнії, що говорить про те, що в місцях підвищеної щільності дислокацій спостерігається підвищений рівень механічних напруг і деформацій, пов'язаний із прискореною термодифузією кисню уздовж дислокацій. На границі сильно разупорядкованої області кремнію й області, що містить дислокаційні сітки, спостерігається стрибок щільності рівнів захоплення електронів, що відбувається внаслідок стрибка рівня механічних напруг. Спостережуваний стрибок механічних напруг відбувається внаслідок прискореної дифузії кисню уздовж макродефектів типу дислокацій, що відбувається за основним фронтом термодифузії кисню.

У підрозділі 3.5. на основі проведених досліджень приповерхніх шарів кремнію в структурах Si - SiО2 побудована топологічна модель цієї структури. Представлена на рис.3. топологічна модель структури Si - SiО2, що включає шар разупорядкованого кремнію й область, що містить дислокаційні сітки.

Генерація структури з такою топологією можлива лише у випадку, коли термомеханічні напруги стають більше значення порога пластичності кремнію. Утворена структура внаслідок присутності великої кількості рівнів захоплення носіїв заряду має деякі діелектричні властивості, що й спостерігається в експерименті. Тому що рівень механічних напруг від границі SiО2 і Si углиб кремнію зменшується пропорційно 1/r, при переміщенні від границі вглиб кремнію на певній глибині виникає ситуація, коли механічні напруги і деформації недостатньо для утвору сильно разупорядкованной структури, але досить для утвору дислокаційної структури у вигляді дислокаційних сіток (область 2 - 3 рис.3.). Механічні напруги на границі 2 - 3 релаксують утворюючи дислокаційні сітки в області кристалічного кремнію (область 3 -3' рис.3.). Дислокаційні сітки утворюються в області 3 - 3' і закінчуються, у випадку шаруватої структури, на найближчій границі двох шарів кремнію. Було визначено, що зі збільшенням товщини шарів оксиду товщина перехідної області 2 також збільшується, що можна пояснити збільшенням величини механічних напруг на границі SiО2 - Si.

Підрозділ 3.6. присвячений огляду та аналізу факторів, що впливають на величину порога пластичних механічних напруг у напівпровідниковому монокристалічному кремнії. Для монокристалічного кремнію поріг пластичності, залежно від орієнтації пластини та інших параметрів, лежить у межах фкр = (5Ч108 - 2Ч109) Н/см2 і для величини відносних деформацій екр = (10-5 - 2Ч10-4). Якщо середня відстань між дислокаціями, що утворювалися, порядку 10-5 м, то для 600 дислокацій величина відносних деформацій. Такі механічні напруги й відносні деформації є стартовими для подальшого дефектоутворення при механічних і термічних впливах. При збільшенні температури відбувається пропорційне зниження порогової механічної напруги. При температурах високотемпературного окислення кремнію (1000-1200)0С поріг пластичної течії (фкр) знижується в 50 - 60 раз. Таким чином, наявність механічних напруг у районі ядер дислокацій і підвищена температура знижують поріг пластичної течії кремнію. Домішкови атмосфери дислокації - це є додаткові джерела механічних напруг. Якщо концентрація домішок близько дислокацій значно перевищує 6 атомних (для атомів кисню) відсотка, то виникають пластичні напруги й деформації, що приводять до генерації не однієї дислокації, а їх скупчень. При цьому, домішки розподіляються між дислокаціями, що утворювалися, а процес генерації дислокацій припиниться, коли величина механічних напруг знижується до рівня пружних значень.

У підрозділі 3.7. запропонований метод визначення величини механічних напруг і деформацій у кремнії, заснований на вивченні картини процесу дефектоутворення в окисленому кремнії. На основі запропонованої топологічної моделі приповерхньої області кремнію в структурах Si - SiО2 можна визначити відносну результуючу деформацію як суму відносної деформації, викликаною термодифузією кисню (е1), відносною деформацією викликаною відмінністю коефіцієнтів термічного розширення кремнію та діоксида кремнію (е2), відносною деформацією викликаною відмінністю постійних кристалічних решітки (е3). Вплив термодифузійнного кисню на деформацію оцінювалося в такий спосіб. З електронно-мікроскопічних картин дислокаційних сіток, на різних глибинах, визначалися середні значення періоду дислокаційних сіток D. З урахуванням того, що утворення даного виду дефектів визначається в основному термодифузією кисню уздовж структурних дефектів, появу сіток можна зв'язати з термомеханічними напруженнями. Розрахунки показали, що коефіцієнт Вегарда для атомів кисню в кремнії порядку 10-4, що узгодиться з літературними даними. Значення відносної концентрації кисню в досліджуваній області кремнію з дислокаційними сітками становить приблизно 0,1. Порівняльний аналіз емпіричних значень коефіцієнта дифузії з табличними значеннями показав їхню відмінність на 2-3 порядку. Це пояснюється тим фактом, що атоми кисню дифундують вздовж вихідних структурних дефектів, які присутні у вихідному кремнії. Швидкість дифузії атомів кисню вздовж структурних вихідних дефектів набагато порядків більше, ніж швидкість дифузії атомів кисню в об'ємі бездислокаційного кремнію.

Розділ 3.8. присвячений розгляду фотолюмінісцентних властивостей наноструктурованого кремнію, отриманого шляхом термічного окислення кремнію з подальшою хімічною обробкою поверхні вибірковими хімічними травниками Сіртля або Секо. Регулюючи товщину діоксиду кремнію можна одержати кремній з різними розмірами наноструктур та відповідно випромінюючих у різному діапазоні енергій (рис.4., рис.5) Пропонований у даній роботі метод одержання поруватої наноструктури дозволяє отримувати випромінюючи структури в єдиному технологічному циклі виготовлення приборів, а також дозволяє отримувати поруватий нанокремній з заданою структурою, змінюючи параметри окислення и час хімічної обробки.

У розділі 3.9. здійснюється порівняльний аналіз механізмів дефектоутворення при високотемпературному окислені та іонному легуванні. У процесі термічного окислення й іонного легування в приповерхній області кремнію з'являється складна поліморфна структура. Утворення даної структури пов'язане з тим, що механічні напруги, викликані присутністю атомів та іонів домішок в кристалічній ґратці кремнію, у відповідності з законом Вегарда, часто перевищують поріг пластичної течії, що приводить до утворення структурних порушень у вигляді разупорядкованной області й області дислокаційних сіток. Виникнення даних дефектних структур має граничний характер і починається лише з визначеної концентрації домішкових атомів, певної температури та щільності вихідних дефектів.

Четвертий розділ присвячений вивченню впливу дефектів на деградацію параметрів кремнієвих приладів на основі польових кремнієвих МОН -структур.

У підрозділі 4.1. розповідається про особливості впливу процесів дефектоутворення на параметри готових приладів. Приповерхнева область кремнію в структурах Si - SiО2 має складну структуру, що складається з області разупорядкованого кремнію й області дислокаційних сіток. У процесі легування також може утворюватися подібна дефектна структура. Такі дефектні області є невід'ємною частиною будь-якого приладу на основі польовій МОН - структури. Присутність дефектів (кристаболітів у діоксиді кремнію, кластерних скупчень, дендритів тощо) буде визначати деградацію параметрів приладів у процесі часових та термо - польових випробувань.

У підрозділі 4.2. показується як складна дефектна поліморфна область кремнію на межі розподілу в польових кремнієвих МОН - структурах буде впливати на такий параметр, як рухливість носіїв заряду в інверсійних польових кремнієвих МОН -транзисторах. Зміна значення рухливості носіїв зарядів позначиться на зміні, як струму насичення, так і значення крутості основних характеристик польових МОН - транзисторів. Моделювався струмоперенос скрізь інверсійний канал з урахуванням реальної структури приповерхневої області кремнію в польових МОН - приладах і з'ясовувались температурні залежності параметрів даних приладів. Ефект відхилення експериментальних вольтів - амперних характеристик польових МОН - структур від теоретично розрахованих характеристик можна пояснити зменшенням рухливості носіїв зарядів при взаємодії із преципитированными дефектами в струмопровідному каналі (рис.5). При розрахунках температурної залежності рухливості носіїв заряду в каналі польових МОП - структур враховувався вплив процесів розсіювання носіїв заряду на дислокаційних бар'єрах на результуючу рухливість та температурну залежність параметрів дефектів.

Розділ 4.3. присвячений моделюванню процесу струмопереносу в польових кремнієвих МОН - структурах. Струмоперенос в реальних польових МОН - структурах у режимі інверсії буде аддитивен і складається з струмопереносу через всі досліджені шари кремнію, що утворюють перехідну область кремнію

Id = W L-1 Vd (V g - V t) C i ( У м i d i ) (1)

де - W, L - ширина та довжина каналу, Vd - електрична напруга стока, мі - рухливість носіїв заряду в і- му шарі, di - товщина і-го шару, V g - напруга затвора, V t- порогові напруга, Cі -ємність затвора.

У розділі 4.4. запропонована модель струмопереносу в контактах метал - кремній з бар'єром Шоттки з врахуванням реальної структури приповерхній області контакту. Як показали дослідження, приповерхнева область кремнію в структурах метал - кремній має схожу дефектну структуру, як і у випадку окисленого кремнію, і складається з області разупорядкованого кремнію та області дислокаційних сіток. Розміри блоків кремнію та глибини цих разупорядкованих областей відрізняються від випадку окисленого кремнію внаслідок менших значень механічних напруг та деформацій. Розмір області разупорядкованого кремнію забагато менш ніж розмір області дислокаційних сіток Вважаючи, що паралельно площини переходу знаходяться L дислокаційних сіток з M дислокаціями в одній сітці та відстань між дислокаціями, менш ніж подвоєний радіус просторового заряду дислокацій, був отриман вираз для струму (2)

, (2)

де - A ** - модифікована постійна Річардсона, Т - температура, V - падіння напруги в області просторового заряду бар'єра Шоттки, Цb - висота дислокаційного бар'єру, Ца - висота бар'єра Шоттки, L - кількість дислокаційних сіток та М - кількість дислокацій в окремій сітці.

У розділі 4.5. показано вплив складної дефектної структури приповерхніх шарів кремнію після окислення на чутливість та термопольову стабільність сенсорів на основі МОН - структур. При досить великій щільності енергетичних глибоких станів у приповерхній області кремнію, порівняно із щільністю дефектних станів у діоксиді кремнію та на границі діоксид кремнію - кремній, глибокі енергетичні стани в приповерхній області, локалізовані на границях блоків разупорядкованого кремнію, впливають на баланс між радіаційною чутливістю й термопольовой стабільністю параметрів дозиметрів поглиненої дози іонізуючих випромінювань, створених на основі польових кремнієвих МОН - транзисторів.

Розділ 4.6. присвячений розгляду фізичних та технологічних аспектів, що впливають на дефектоутворення та деградацію параметрів польових кремнієвих МОН - структур. Основними технологічними факторами, що приводять до деградації параметрів МОН - структури є: утворення розривів металевих з'єднань та доріжок внаслідок електроміграції атомів металу та внаслідок розчинення металів у кремнії і діоксиді кремнію; виникнення струмопровідних перемичок; утворення інтерметалідів у термокомпресійних контактах, що веде до руйнування контактів.

дефектоутворення кремній діоксид струмоперенос

Висновки

Основними видами дефектів у вихідному монокристалічному кремнії є дислокації, дефекти шаруватої неоднорідності, кластерні скупчення кисню або надлишкового кремнію, дендрити металів і двійникові ламелі. Для эпітаксіального кремнію характерна присутність у шарі дислокацій і дефектів шаруватої неоднорідності, що виникають внаслідок шаруватої структури пластин кремнію. Виявлені дефекти впливають на процес формування структури приповерхніх шарів кремнію при окисленні, металізації та іонному легуванні, за рахунок можливості прискореної дифузії атомів домішок вздовж структурних дефектів , що приводе до накопичення механічних напружень та деформацій.

У процесі формування шарів діоксида кремнію у приповерхніх областях кремнію утворюється складна структура, що аномально глибоко залягає від границі розділу, і яка складається з шарів разупорядкованого кремнію із проникними в нього областями діоксиду кремнію, утвореного при прискореній дифузії атомів кисню вздовж структурних дефектів, далі розташован шар кремнію з дислокаційними сітками, що декоровані окислами типу SiОx. Товщини шарів разупорядкованого кремнію пропорційні товщині вирощеного діоксиду кремнію. Блокова структура приповерхніх шарів кремнію в системі кремній - діоксид кремнію є джерелом полігонізації та генерації нових структурних дефектів. Величина порога пластичної течії кремнію зменшується з ростом щільності дислокацій і макродефектів, і може змінюватися в присутності атомів преципитованої домішки. З одного боку, атоми преципитованої домішки беруть участь у процесах "старіння" дислокацій, що підвищує поріг пластичного плину кремнію, з іншого боку - наявність преципітованих домішок створює, відповідно до закону Вегарда, підвищені механічні напруги, що знижують поріг пластичної течії кремнію

На основі проведених досліджень реальної структури приповерхневої області кремнію, запропонована модель струмопереносу в польових МОН- структурах і в контактах метал - кремній, з урахуванням процесу взаємодії дефектів з носіями зарядів у приповерхневій області кремнію.

Вивчення картини дефектоутворення в кремнієвих МОН - структурах дозволяє визначити значення механічних напруг і деформацій, параметри процесу окиснення, такі як розподіл концентрації кисню по глибині, коефіцієнти Вегарда. Визначення параметрів дислокаційних сіток дозволяє знайти значення коефіцієнта дифузії кисню уздовж структурних дефектів.

Хімічно - наноструктурований кремній, отриманий в процесі термічного окислення кремнію та шляхом хімічної обробки поверхні пластин, випромінює в більш короткохвильовій області спектра, що пояснюється процесом рекомбінації носіїв зарядів на відстані, яка дорівнює дебаївському радіусу та дією квантово-розмірного ефекту. Регулюючи товщину оксиду кремнію можна одержувати наноструктурирований кремній з різними розмірами, який випромінює в різному діапазоні енергій. Даний метод дозволяє одержувати фотолюмінісцентні структури в єдиному технологічному циклі виробництва мікроелектронних приладів з діоксидною ізоляцією.

Ефект відхилення експериментальних вольт - амперних характеристик МОН - структур від теоретично розрахованих можна пояснити зменшенням рухливості носіїв зарядів при взаємодії із преципитованим дислокаціями в струмопровідному каналі. При розрахунках температурної залежності рухливості носіїв заряду в каналі МОН - структур необхідно враховувати вплив розсіювання носіїв заряду на дислокаційних бар'єрах та температурні залежності параметрів дислокацій.

Основними технологічними факторами, що приводять до деградації параметрів МОП - структур є: утворення розривів металевих з'єднань внаслідок електроміграції атомів металу та внаслідок розчинення металів у кремнії та діоксиді кремнія; виникнення струмопровідних перемичок; утворення інтерметалідів в термокомпресійних контактах, що веде до руйнування контактів.

Список опублікованих автором робіт за темою дисертації

1. Моделювання процесу струмопереносу в реальних структурах метал - кремній з бар'єром Шоткі / В.А.Сминтина, О.А. Кулініч, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, І.Р. Яцунський // Фізика і хімія твердого тіла. - 2005. - Т.6, №4. - С. 656 - 660.

2. Вплив дефектів на розподіл концентрації легуючої домішки та дефектоутворення при легуванні кремнію / В.А.Сминтина, О.А. Кулініч, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, Е.Т. Роговська, І.Р. Яцунський // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. -Т.8, №4. - С. 698 - 702.

3. Порівняльний аналіз механізмів дефектоутворення в кремнії при іонному легуванні та оксидуванні / В.А.Сминтина, І.Р. Яцунський, О.А. Кулініч, М.А. Глауберман // Фізика і хімія твердого тіла. - 2008. - Т.9, №4 - С. 701 - 705.

4. Исследование механизма изменения радиационной чувствительности дозиметров поглощенной дозы ионизирующего излучения на основе структур металл - диоксид кремния - кремний / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г Чемересюк, И.Р. Яцунский // Сенсор.- 2005. - № 4 (17). - С. 18 - 22.

5. Влияние дефектов на распределение концентрации легирующей примеси по пластине монокристаллического кремния / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // Сенсор. - 2006. - № 3 (21). - С. 19 - 23.

6. Влияние исходных дефектов на распределение механических напряжений и деформаций при окислении кремния / О.А. Кулинич, В.А. Смынтына, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2008.- № 5 (77). - С.62 - 64.

7. Investigation of the causes of silicon MOS - transistor parameters catastrophic degradation / O.A. Kulinich, M.A. Glauberman, I.R. Yatsunskiy, G.G. Chemeresyuk // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. - 2005. - № 1. - P. 85 - 89.

8. Process current flow modeling in metal - silicon structures / O.A. Kulinich, V.A. Smyntyna, M.A. Glauberman, G.G Chemeresyuk, I.R Yatsunskiy // Photoelectronics. - 2006. - N. 15. - P. 84 - 88.

9. The structure investigation of near - surface layers in silicon - dioxide silicon structure / V.A. Smyntyna, O.A. Kulinich, M.A. Glauberman G.G Chtmeresyuk, I.R Yatsunskiy // Photoelectronics. - 2008. - N. 17. - P. 61 - 63.

10. Исследование причин катастрофической деградации параметров кремниевых МОП - транзисторов / О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: междунар. науч. конфер., 13 - 17 сен. 2004 г.: материалы конф. - Севастополь, 2004. - С. 557 - 559.

11. Влияние структурных дефектов на токоперенос в канале кремниевого МОП - транзистора / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: междунар. науч. конфер., 12 - 16 сен. 2005 г.: материалы конф. - Севастополь, 2005. - С. 640 - 642.

12. Влияние дефектов исходного кремния на процессы дефектообразования в диоксидах кремния / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман , Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: междунар. науч. конфер., 11 - 15 сен. 2006 г.: материалы конф. - Севастополь, 2006. - С. 608 - 609.

13. Метод определения параметров процесса окисления основанный на изучении картины дефектообразования в кремниевых инверсионных МОП - структурах / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: междунар. науч. конфер., 10 - 14 сен. 2007 г.: материалы конф. - Севастополь, 2007. - С. 556 - 557.

14. Связь структуры затворной области и надежности работы кремниевого полевого МОП - транзистора / О.А. Кулинич, В.А. Смынтына, И.Р. Яцунский, Г.Г Чемересюк, М.А. Глауберман // СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии: междунар. науч. конфер., 8 - 12 сен. 2008 г.: материалы конф. - Севастополь, 2008. - С. 569 - 570.

15. Дослідження процесів деградації в кремнієвих польових МОН - структурах / О.А. Кулініч, М.А. Глауберман, І.Р. Яцунський, Г.Г. Чемересюк// Конференція з фізики та технології тонких плівок: міжнар. конф., 16 - 21 трав. 2005 р.: матеріали конф. - Івано-Франківськ, 2005. - С. 156 - 157.

16. Моделирование процесса токопереноса в полевых кремниевых МОП - структурах / О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // Современные информационные и электронные технологии: междунар. науч.-практ. конф., 23 - 27 мая 2005 г.:материалы конф., - Одесса, 2005. - С. 347

17. Фотолюминесцентные свойства химически модифицированной поверхности монокристаллического кремния / О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, И.Р. Яцунский, Г.Г. Чемересюк // Всеукраинский съезд «Физика в Украине»: междунар. науч. конф., 3 - 6 октября 2005 г.: тезисы докладов - Одесса, 2005. - С. 165.

18. Сравнительный анализ процесса дефектообразования в низкотемпературных и высокотемпературных диоксидах кремния / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // Современные информационные и электронные технологии: междунар. науч.-практ. конф., 22 - 26 мая 2006 г.:материалы конф., - Одесса, 2006. - С. 95.

19. Температурная зависимость параметров кремниевых МОП и PIN - фотоприемных структур при наличии структурных дефектов / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский, О.В. Свиридова // Сенсорная электроника и микросистемные технологии: межд. науч. - техн. конф., 26 - 30 июня 2006 г.: тезисы докладов. - Одесса, 2006. - С. 262.

20. Структурные преобразования поверхности кремния при легировании и окислении / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский, О.В. Свиридова // Современные информационные и электронные технологии: междунар. науч.-практ. конф., 21 - 25 мая 2007 г.:материалы конф., - Одесса, 2007. - С. 388.

21. Яцунский И.Р. Температурная зависимость подвижности носителей зарядов в канале инверсионных полевых МОП - структур при наличии структурных дефектов / И.Р. Яцунский, О.В. Свиридова // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникации: межд. молод. науч. - техн. конф., 16 - 21 апр. 2007 г.: материалы конф. - Севастополь, 2007. - С. 241.

22. Структурно - полиморфные изменения макродефектов в кремнии при температурном воздействии / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский, О.В. Свиридова // III Украинская Научная конференция по физике полупроводников: науч. конф., 17 - 22 июля 2007 г.: тезисы докладов.- Одесса, 2007. - С. 433.

23. Влияние исходных дефектов на распределение механических напряжений и деформаций при окислении кремния / О.А. Кулинич, В.А. Смынтына, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, И.Р. Яцунский // Современные информационные и электронные технологии: междунар. науч.-практ. конф., 19 - 23 мая 2008 г.:материалы конф., - Одесса, 2008. - С. 194.

24. Яцунский И.Р. Влияние дефектной структуры приповерхностной области кремния на параметры МОП - транзисторов / И.Р. Яцунский // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникации: межд. молод. науч. - техн. конф., 21 - 25 апр. 2008 г.: материалы конф. - Севастополь, 2008. - С. 316.

25. Деградація параметрів кремнієвих сенсорів / В.А.Сминтина, О.А. Кулініч, М.А. Глауберман, Г.Г. Чемересюк, І.Р. Яцунський // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології: міжн. науч. - техн.. конф., 2 - 6 чер. 2008 р.: тези доповідей. - Одеса, 2008. - С. 360.

26. Вплив кисню на рівень механічної напруги в приповерхневій області кремнію в структурах Si - SiO2 / О.А. Кулініч, В.А. Сминтина, І.Р. Яцунський, Г.Г. Чемересюк // «Актуальні проблеми фізики напівпровідників»: міжн. наук. школа., 23 -- 26 вер. 2008.: тези доповідей - Дрогобич, 2008. - С. 178 -- 179.

Размещено на Allbest.ru