WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 5 05;06;12 Дефекты и дефектообразование в окисном слое ионно-имплантированных структур кремний–двуокись кремния © А.П. Барабан, Л.В. Милоглядова Санкт-Петербургский государственный университет, Научно-исследовательский институт физики, 198904 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 18 января 2001 г. В окончательной редакции 9 октября 2001 г.) Совместно методами электролюминесценции и методами, основанными на измерении высокочастотных вольт-фарадных характеристик, исследовались структуры Si–SiO2, полученные термическим окислением кремния КЭФ-5 (100) во влажном кислороде при температуре 950C (толщина окисного слоя 250 nm), имплантированные ионами аргона с энергией 130 keV и дозами 1013-3.2 · 1017 cm-2. Установлена связь природы, свойств и механизмов формирования дефектов, образующихся в окисном слое имплантированных структур. На основании этого предложена модель дефектообразования в результате имплантации ионов Ar в структуры Si–SiO2.

Структуры Si–SiO2 являются основой элементной ба- та в течение 10 s. Последующее воздействие электризы современной микро- и твердотельной электроники. ческим полем осуществлялось при напряжениях, не Изучение их свойств представляет большой научный вызывающих деструктирующего пробоя окисного слоя и практический интерес. Эффекты, связанные с ради- исследуемых структур. Облучение из области ближнего ационным воздействием на них, изучаются на протя- ультрафиолета (БУФ) (h = 4-6eV) осуществлялось жении многих лет и с различными целями. Один из засветкой ртутной лампой ДРЛ-250.

методов радиационного воздействия — метод ионной Для решения поставленной задачи в данной рабоимплантации (ИИ). С помощью ИИ, изменяя параметры те использовали метод электролюминесценции (ЭЛ) облучения и облучаемых объектов, в структурах Si–SiO2 (измерения проводились в спектральном диапазоне можно создавать локальные области с заранее задан250-800 nm) [1,2], и электрофизические методы диаными свойствами, что находит широкое применение в гностики, основанные на измерении высокочастотных различных областях науки и техники. С другой стороны, (ВЧ) вольт-фарадных характеристик (ВФХ), в частности образование электрически активных дефектов в структуметод послойного профилирования [1,3–6]. Все измерах Si–SiO2 вследствие ИИ приводит к нежелательному рения выполнялись при температуре 293 K в системе изменению в работе приборов и схем, созданных на электролит–диэлектрик–полупроводник [1].

основе данных структур. В связи с этим изучение В спектре ЭЛ неимплантированных структур Si–SiO2, влияния ИИ на структуры Si–SiO2 представляет интерес полученных при различных способах окисления Si, ранее в плане прогнозирования поведения приборов и схем было установлено наличие характеристических полос в условиях облучения. Несмотря на многочисленные излучения с энергиями 1.9, 2.3, 2.7, 3.3, 3.8 и 4.6 eV, исследования в данной области, остаются нерешенными которые связаны с наличием различных дефектов в вопросы о свойствах и природе образующихся в таких окисном слое и в области межфазовой границы (МФГ) структурах дефектов и механизмах их формирования.

Si/SiO2 [1]. Полоса ЭЛ 1.9 eV возбуждалась термолизоЦель данной работы заключалась в установлении ванными электронами, другие полосы ЭЛ — электронасвязи природы, свойств и механизмов формирования де- ми, разогретыми электрическим полем в окисном слое фектов, образующихся в окисном слое структур Si–SiO(в частности, полоса ЭЛ 2.7 eV возбуждалась в полях, в результате имплантации в окисный слой ионов Ar.

больших или равных критическому полю E, в кото ром начинается процесс ударной ионизации матрицы В работе исследовались структуры Si–SiO2, полученSiO2) [1].

ные термическим окислением кремния КЭФ-5 (100) во влажном кислороде при температуре 950C. Толщина Спектры ЭЛ исследуемых ионно-имплантированных окисного слоя составляла 250 nm. Имплантировались структур были сходны по форме со спектрами исходных ионы аргона с дозами D = 1013-3.2 · 1017 cm-2 на необлученных структур Si–SiO2 и содержали три явно установке Eaton Nova 4206 при охлаждении и низ- выраженные полосы ЭЛ: 1.9 eV (650 nm), 2.7 eV(460 nm) кой плотности пучка во избежание сильного нагрева и 4.4 eV (280 nm) (рис. 1) [2]. Полосы ЭЛ 1.9 и 2.7 eV мишени. Энергия ионов выбиралась таким образом, имели то же энергетическое расположение и описывачтобы обеспечить положение максимума распределения лись теми же гауссианами (0.12 ± 0.05 и 0.35 ± 0.05 eV имплантированных ионов посередине окисного слоя и соответственно), что и в исходных структурах. Но в составляла 130 keV. Быстрый термический отжиг (БТО) отличие от исходных необлученных структур полоса при температурах 500, 700 и 900C осуществлялся ЭЛ 2.7 eV возбуждалась в полях, меньших E, и ее путем засветки галогенной лампой в атмосфере азо- интенсивность была значительно больше, чем в спекДефекты и дефектообразование в окисном слое ионно-имплантированных структур... имплантации была полностью аналогична зависимости интенсивности полосы ЭЛ 2.7 eV. При этом отношение интенсивностей полос излучения 2.7 и 4.4 eV во всех случаях было неизменным.

Для определения областей локализации центров свечения были использованы зависимости интенсивностей полос ЭЛ 1.9, 2.7 и 4.4 eV от толщины окисного слоя при его послойном стравливании. Было установлено, что центры свечения 1.9 eV, как и в случае неимплантированных структур, локализованы во внешней части окисных слоев. Увеличение дозы имплантации приводит к расширению области их локализации. Центры свечения, ответственные за полосы ЭЛ 2.7 и 4.4 eV, расположены в основном в области 30-140 nm от МФГ Si/SiO2.

Увеличение дозы имплантации приводит к уширению распределеления центров свечения и смещению его Рис. 1. Спектры ЭЛ структур, имплантированных ионамаксимума ближе к границе с кремнием.

ми Ar. 1 — исходные не имплантированные структуры;

БТО при увеличении температуры отжига, БУФ облу2–5 — имплантированные: D = 1013 (2), 1014 (3), 1016 (4), чение (с отрицательным смещением на полевом элек3.2 · 1017 cm-2 (5).

троде, препятствующим инжекции электронов из Si в SiO2, и без него) и полевое воздействие приводили к уменьшению интенсивностей всех наблюдаемых полос ЭЛ.

На основнии результатов измерений методами ВФХ установлено, что ИИ приводила к увеличению плотности поверхностных состояний (ПС) на МФГ Si/SiOи изменению зарядового состояния окисла [3]. Из результатов анализа зависимостей -Vf b(dox) (рис. 3) были определены величины истинных зарядов, образующихся в окисном слое структур Si–SiO2 в результате ИИ, и значения их центроидов [4–6]. ИИ с увеличением дозы имплантации приводила к увеличению отрицательного заряда во внешнем слое SiO2. ИИ (D = 1013 cm-2) Рис. 2. Зависимости интенсивностей полос ЭЛ в спектрах ионно-имплантированных структур от дозы имплантации. Полоса ЭЛ, eV: 1 —1.9, 2 —2.7. — БУФ облучение, © — БУФ облучение с приложенным электрическим полем.

трах неимплантированных структур. В ультрафиолетовой области спектра ЭЛ наблюдалась одна отчетливо выраженная полоса излучения с энергией 4.4 eV, хорошо аппроксимируемая гауссовым распределением со среднеквадратичной дисперсией 0.4 ± 0.1eV.

Было установлено, что интенсивность полосы ЭЛ 1.9 eV увеличивалась при увеличении дозы имплантации до 1014 cm-2, оставалась неизменной при дозе 1015 cm-2, и уменьшалась при дальнейшем увеличении дозы имплантации (рис. 2). Полоса ЭЛ 2.7 eV появлялась в спектрах имплантированных структур, начиная с дозы Рис. 3. Зависимости потенциала плоских зон от толщи1013 cm-2. Дальнейшее увеличение дозы имплантации ны окисного слоя исходных (1) и имплантированных (2, 3) до 1017 cm-2 приводило к уменьшению интенсивности структур. D, cm-2: 2 —1013, 3 — 1014, 2UF —после БУФ этой полосы излучения, которое сменялось ее резким облучения в течение 10 s, 2UF — после БУФ облучения при U увеличением при переходе к дозе 3.2· 1017 cm-2 (рис. 2).

отрицательном смещение на полевом электроде, 3F —после Зависимость интенсивности полосы ЭЛ 4.4 eV от дозы полевого воздействия.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 58 А.П. Барабан, Л.В. Милоглядова щим с центроидом положительного заряда (рис. 3). БУФ облучение при отрицательном смещении на полевом электроде, препятствующим инжекции электронов из Si в SiO2, не приводило к изменению зарядового состояния имплантированных структур [5] (рис. 3). При БУФ облучении также происходило уменьшение величины отрицательного заряда и плотности электронных ловушек во внешней области SiO2.

Совпадение центроида отрицательного заряда в SiOвблизи МФГ с Si с центроидом положительного, накапливаемого в электрическом поле, и тот факт, что величина одного заряда линейно зависела от величины другого при всех дозах имплантации и температурах БТО (рис. 5), позволили прийти к заключению, что Рис. 4. Зависимости величин зарядов, образующихся в резульцентры, ответственные за данный отрицательный заряд, тате ионной имплантации в окисном слое структур Si–SiOявляются дырочными ловушками, заполняемыми в элеквблизи границы с Si, от дозы имплантации (a) и температуры трическом поле за счет инжекции в SiO2 дырок из Si.

БТО (b). 1 — положительный заряд, 2 — отрицательный заряд.

D, cm-2: 2 —1014, 2 —1015. Совпадение центроида положительного заряда в SiO2, образованного вследствие ИИ, с центроидом отрицательного заряда, образующегося при БУФ облучении, и тот факт, что величина такого отрицательного заряда приводила к образованию положительного заряда (с ценпримерно вдвое превышала величину положительного троидом X21 = 35±10 nm, отсчитанным от МФГ Si/SiO2), заряда, свидетельствует о том, что за оба эти заряда величина которого не изменялась при увеличении дозы ответственны одни и те же амфотерные центры.

имплантации (рис. 3, 4) [4,5]. Начиная с D = 1014 cm-2, Ранее была установлена связь полосы ЭЛ 1.9 eV, в окисном слое данных структур помимо положительотрицательно заряженных центров и электронных лоного образовывался отрицательный заряд (с центроивушек во внешнем окисном слое с наличием в SiOдом X32 = 8 ± 7nm), величина которого увеличиваводородосодержащих комплексов (в частности, силалась при дальнейшем увеличении дозы имплантации нольных групп) [1] (рис. 6). Нами установлено, что ИИ (рис. 3, 4) [4,6]. БТО при увеличении температуры приводит к изменению, а постимплантационные БТО, приводил к монотонному уменьшению величин данных БУФ облучение и полевое воздействие - к уменьшению зарядов (рис. 4) и плотности ПС. При этом значения концентрации таких комплексов во внешнем слое SiO2.

центроидов положительного заряда и отрицательного во внешнем слое SiO2 оставались неизменными, в то время как значение центроида отрицательного заряда вблизи МФГ Si/SiO2 увеличивалось (оставаясь меньше центроида положительного заряда).

Полевое воздействие на неимплантированные структуры Si–SiO2 и имплантированные при D = 1013 cm-не приводило к заметному изменению зарядового состояния окисла. Полевое воздействие на структуры, имплантированные начиная с D = 1014 cm-2, приводило к образованию в SiO2 вблизи границы с Si значительного положительного заряда. Центроид такого положительного заряда во всех случаях совпадал с центроидом отрицательного заряда, образующегося вследствие ИИ вблизи МФГ Si/SiO2. При этом величина положительного заряда, образованного при полевом воздействии, линейно зависела от величины отрицательного, образованного при ИИ, при всех дозах имплантации и температурах БТО (рис. 5) [6]. С ростом дозы имплантации увеличивалась плотность электронных ловушек во внешнем слое SiOРис. 5. Зависимость величины положительного заряда, образаполняемых в электрическом поле.

зованного в окисном слое ионно-имплантированных структур БУФ облучение ионно-имплантированных структур Si–SiO2 вблизи межфазовой границы с Si при воздействии Si–SiO2 приводило к формированию в SiO2 отрицательэлектрического поля, от величины отрицательного заряда, ного заряда (примерно в два раза больше положительно- образующегося в той же области окисного слоя структур в го, образованного при ИИ [5]) с центроидом, совпадаю- результате ионной имплантации.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Дефекты и дефектообразование в окисном слое ионно-имплантированных структур... подсистемой — образованием структурных нарушений в матрице SiO2. Помимо этого, непосредственно налетающими ионами или опосредовано возбужденной системой облучаемого материала отдельным атомам на поверхности SiO2 передавалась энергия, достаточная для выхода их в окружающую среду. За счет этого происходило распыление внешнего слоя SiO2, что проявлялось в заметном уменьшении толщины окисного слоя при имплантации в него ионов Ar с дозами D 1016 cm-2.

При данной энергии имплантации (E = 130 keV) во внешней части окисного слоя структур Si–SiO2 процессы диссипации энергии определялись взаимодействием как с электронной, так и с атомной подсистемой. Нарушение Рис. 6. Пространственное распределение дефектов, образуювнешнего окисного слоя в этом случае происходило щихся в окисном слое имплантированных ионами Ar структур таким образом, что увеличивалась концентрация водоSi–SiO2.

родсодержащих комплексов в этой области SiO2. Это проявлялось в увеличении концентрации центров, ответственных за полосу ЭЛ 1.9 eV, отрицательно заряженных На основании полученных нами результатов и анализа центров и электронных ловушек во внешнем слое SiO2.

литературных данных [7], полагаем, что за полосы ЭЛ Для объема окисного слоя наиболее вероятным каналом 2.7 и 4.4 eV ответственны дефекты типа двухкоордини- диссипации энергии внедренного аргона было взаиморованного кислородом кремния (O2 = Si :), которые воз- действие с атомной подсистемой, результатом которого буждаются горячими электронами с энергией 5eV [2]. являлось наибольшее количество разорванных Si–OсвяИИ приводит к образованию таких дефектов за счет зей вблизи максимума распределения аргона и смещение разрыва при имплантации двух Si–O связей в одном атомов Si и O в глубь окисла (по оценочным расчетам, кремниево-кислородном тетраэдре. Из вышесказанного атомов O — на расстояние 80-170 nm, атомов Si — на следует, что центры свечения, ответственные за полосы расстояние 30-70 nm от максимума распределения Ar).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.