РОЗДІЛ 2
Заряд в плівках двоокису кремнію товщиною (2 - 50 нм)
Величина заряду в плівках двоокису кремнію (SiO2) визначає такі важливі
електричні параметри МОН-транзисторів, як порогова напруга, пробивна напруга
p-n переходу, впливає на процеси запису/стирання інформації в елементах пам'яті
типу FLASH, FLOTOX і т.д., а також на величину електричного пробою самої плівки
SiО2. Крім того, існує точка зору (як було відмічено в огляді), що заряд, поява
якого в першу чергу обумовлена власне процесом окислення, сам впливає на
кінетику цього процесу. Тому важливо встановити можливу кореляцію між
особливостями кінетики окислення кремнію і розподілом по товщині двоокису
кремнію дефектів, відповідальних за появу заряду. При цьому необхідно
розглянути розподіл заряду в плівці, що не підлягала наступним термічним
обробкам. Однак робіт, у яких розглядається розподіл заряду в плівці двоокису
кремнію без додаткових відпалів небагато [20,89-91].
У більшості робіт, що розглядають заряд в SiО2, вивчаються механізми виникнення
та можливого розподілу заряду в плівці двоокису кремнію після різних впливів
(електричне поле, різні види випромінювань і т.д.) [48,92,93], тобто, спочатку
розраховується ефективний заряд захоплений у плівці в результаті таких впливів,
а потім визначається можливий тип дефектів, які можуть відповідати за цей
заряд. В деяких роботах представлені експериментальні результати вимірів
сумарного граничного (заряд поверхневих станів Qit) і приграничного (фіксований
окисний заряд Qf) зарядів розташованих відповідно на границі кремній-двоокис
кремнію (Si/SiО2) і поблизу границі Si/SiО2 після впливу різних технологічних
факторів [94-98]: температури відпалу, середовища відпалу (аргон, азот),
парціального тиску кисню на його величину, а також досліджується можлива
природа (механізм) його утворення. Незважаючи на велику кількість робіт по
дослідженню електрофізичних властивостей плівок SiО2, все ще залишаються до
кінця невиясненими особливості розподілу заряду в плівках двоокису кремнію та
його залежність від технології отримання плівки.
В даному розділі наведені результати [99,100] по вивченю і розподілу потенціалу
(заряду) по товщині окисла для плівок SiО2 вирощених при температурах 800°С,
850°С, 950°С, 1000°С и 1100°С з використанням пошарового травлення цих плівок і
високочастотної вольт-фарадної (ВЧ C-V) методики. Після окислення пластини не
піддавалися термічним обробкам. Для виявлення можливого зв’язку між розподілом
потенціалу (заряду) в плівці двоокису кремнію і структурою плівки були
проведені дослідження структури тонких і надтонких плівок SiО2 із застосуванням
декількох аналітичних методів [101,102], а саме, ІЧ-спектроскопії, еліпсометрії
та пошарове хімічне травлення. Проведено аналіз причин виникнення і розподілу
заряду в плівці двоокису кремнію і його зв’язок зі структурою двоокису
кремнію.
2.1. Виготовлення експериментальних зразків
Підкладкою, на якій вирощувався окисел, був кремній n-типу з орієнтацією (111),
діаметром 100мм і концентрацією домішок фосфора в підкладці 1х1015 см-3. Вибір
підкладки зроблений з урахуанням того, що фіксований заряд в системі Si-SiO2 на
Si(111) більший ніж на Si(100). До вирощування на кремнієвих підкладках
робочого окислу всі пластини проходили однакову обробку. Спочатку, після RCA
(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5 при Т=85°С) очищення, на кремнієвій підкладці вирощувався
жертовний окисел товщиною 80 - 100 нм при Т=1000°С в O2 з наступним відпалом у
N2 протягом 10 хвилин при тій же температурі. Потім ці плівки видалялися у
водяному розчині HF. В сучасних транзисторних структурах в якості підзатворного
діелектрика використовуються плівки двоокису кремнію товщиною менше 10 нм. Тому
для отримання таких плівок використовують або температури окислення менше
900°С, або проводять окислення при високих температурах, але в суміші кисню з
інертним газом. Робочий окисел був вирощений при температурах 800°С (у сухому
кисні), 950°С в суміші O2/N2, 1000°С в суміші O2+C2HCl3(1.5%), 1100°С в суміші
O2/N2. Окислення при високих температурах проводили в суміші O2/N2, що давало
змогу знизити швідкість росту і більш контрольовано отримувати задані товщини
плівок. Крім того, в ряді випадків проводилось окислення в кисні з добавкою
C2HCl3 для забезпечення кращої якості плівок. Підкладки завантажувалися в піч в
O2. Товщина плівки SiО2 після окислення була виміряна лазерним эліпсометром (l=
632.8 нм) в п'яти точках по всій пластині.
2.2. Електричні виміри і обробка результатів
Послідовність експериментальних вимірів була наступна. Спочатку вимірювалась
товщина вихідної плівки еліпсометром, потім проводилися високочастотні (1МГц)
вольт-фарадні (ВЧ-CV) виміри за допомогою прижимного індієвого (In) зонда.
Після цього плівка SiО2 частково травилась у розчині HF:H2O » 1:30 і
промивалась у воді протягом 60 секунд. Надалі проводились повторні виміри на
еліпсометрі товщини SiО2 і ВЧ-CV характеристики. Такий цикл (травлення,
промивка, еліпсометричні виміри, ВЧ-CV виміри) повторювався до повного
видалення плівки SiО2. За результатами травлення і C-V вимірів були побудовані
наступні залежності: 1) зміна товщини окисної плівки від часу травлення dox
=f(tтр.); 2) розподіли потенціалу в плівці Vоt від товщини окисла Vоt =f(dox).
В загальному виді залежність напруги плоских зон VFB від величини вбудованого
заряду r(x) можна представити як [103]:
, (2.1)
де e - відносна діелектрична проникність SiО2, e0 - діелектрична проникність
вакууму, dох - товщина діелектрика; х – поточне значення товщини діелектрика,
r(x) - значення вбудованого заряду який відповідає поточному значенню х.
З рівняння (2.1) отримаємо розподіл за
- Київ+380960830922