WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 5 05:06:12 Роль маскирующего оксида на кремнии в процессах дефектообразования при формировании SIMOX-структур © А.Ю. Аскинази, А.П. Барабан, Л.В. Милоглядова Санкт-Петербургский государственный университет, Научно-исследовательский институт физики, 198904 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 21 мая 2001 г. В окончательной редакции 26 октября 2001 г.) Исследованы структуры Si–SiO2, сформированные путем имплантации в кремний ионов кислорода (SIMOX-технология) методами, основанными на измерении высокочастотных вольт-фарадных характеристик, и методом электролюминесценции. Установлено существование в сформированном окисном слое вблизи границы с кремнием электрически активных центров и центров люминесценции. Выяснена роль маскирующего слоя SiO2 на кремнии в процессах дефектообразования при формировании замурованного окисного слоя.

Установлена зависимость концентрации электрически активных и люминесцентных центров от толщины маскирующего слоя.

Структуры Si–SiO2 и создаваемые на их основе струк- Для исследования зарядового состояния SIMOXтуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) явля- структур использовались методы, основанные на измерении высокочастотных вольт-фарадных характеристик ются основой элементной базы современной микро- и (ВЧ ВФХ), в частности метод послойного профилитвердотельной электроники. В связи с этим изучение рования [1], который позволял получать зависимости свойств данных структур представляет большой научный потенциала плоских зон (Vf b) от толщины окисного слоя и практический интерес. Один из способов создания (dox) (рис. 1, 2). Положения центроидов, локализованных структур Si–SiO2 заключается в формировании замуров окисном слое зарядов (X), определялись как значения ванных окисных слоев в объеме кремния путем имплантолщин окисного слоя, при которых происходит пересетации в Si ионов кислорода (SIMOX-технология). Уменьчение интерполированных к нулевой толщине сравнивашение дефектности таких структур и как следствие емых зависимостей Vf b(dox), а истинные значения заряповышение их стабильности в электрических полях дов — из тангенса угла наклона этих зависимостей [1,2].

являются одной из основных тем многих современных Для определения в едином цикле наличие и относительисследований. Один из способов изменения свойств замурованного окисного слоя — изменение параметров облучения при формировании SIMOX-структур, в том числе имплантация ионов O в Si, покрытый маскирующим слоем SiO2 различной толщины.

Целью настоящей работы является определение роли маскирующего SiO2 на Si в процессах дефектообразования при формировании SIMOX-структур, в частности влияния его на концентрацию образующихся в замурованном окисном слое электрически активных и люминесцентных центров.

В работе исследовались структуры Si–SiO2, полученные по технологии SIMOX путем имплантации ионов кислорода непосредственно в Si и через маскирующий SiO2 различной толщины (dsc.ox. = 46.6, 189.7, 246.4 nm) с дозой 1.8 · 1018 cm-2, энергией 190 keV, при температуре 650C. Для формирования захороненных слоев SiO2 использовался постимплантационный отжиг при T = 1320C в течение 6 h. После формирования таких окисных слоев верхний слой кремния химически удалялся, в результате чего получали структуры Si-SiO2 с толщиной оксида 360-425 nm. Последующее Рис. 1. Зависимости потенциала плоских зон от толщины воздействие электрическим полем осуществлялось при окисного слоя SIMOX-структур. Имплантация ионов кислоронапряжениях, не вызывающих деструктирующего про- да осуществлялась непосредственно в Si(1) и через маскируюбоя окисного слоя исследуемых структур. щий слой SiO2: dsc.ox. = 46.6 (2), 189.7 (3), 246.4 nm (4).

62 А.Ю. Аскинази, А.П. Барабан, Л.В. Милоглядова структур положительного заряда. Его центроид также, как и для структур, сформированных без маскирующего оксида [2], был равен X =(65±10) nm (рис. 2). Величина этого положительного заряда определялась величиной напряженности электрического поля и временем его воздействия.

На основании этого, а также того, что низкотемпературный отжиг не приводил к изменению величины этого заряда [2], полагаем, что образование при полевом воздействии положительного заряда в окисном слое SIMOX-структур связано с трансформацией электрически неактивных центров, образованных при формировании замурованного SiO2, в электрически активные, положительно заряженные. Сдвиг в область больших значений пороговой напряженности электрического поля, при которой начинался резкий рост величины рассматриваемого заряда при увеличении толщины маскирующего оксида, по-видимому, связан с тем, что с увеличением dsc.ox. концентрация таких электрически неактивных центров (трансформируемых при полевом воздействии Рис. 2. Влияние полевого воздействия на зависимов электрически активные) уменьшалась и / или для перести потенциала плоских зон от толщины окисного слоя вода их в электрически активное состояние требовалась структур Si-SiO2, сформированных по технологии SIMOX большая энергия электронов, а следовательно большая dsc.ox. = 46.6 (1), 189.7 nm (2); 1F, 2F — полевое воздействие.

напряженность электрического поля в окисле.

Ранее на основании того, что значение центроида положительного заряда, образованного при полевом воздействии, совпадало со значением центроида полоные концентрации в диэлектрике электрически активных жительного заряда, образованного при формировании дефектов различных типов использовали метод полеSIMOX-структур, а также то, что влияние облучения из вых циклов [1] (рис. 3). Метод электролюминесценции области ближнего ультрафиолета на оба эти заряда было (ЭЛ) (в спектральном диапазоне 250-800 nm) позволял получать информацию о наличии, типе и относительной концентрации дефектов свечения в окисном слое SIMOX-структур по виду спектрального распределения и интенсивности характеристических полос (рис. 4). Все измерения выполнены при температуре 293 K в системе электролит–диэлектрик–полупроводник (ЭДП) [1].

Ранее нами было установлено, что в процессе формирования SIMOX-структур без использования маскирующего слоя в SiO2 вблизи межфазной границы (МФГ) с Si образуется положительный заряд Q = (0.4 ± 0.1) · 1012 cm-2 с центроидом X =(65±10) nm [2]. Использование маскирующего оксида при формировании исследуемых структур приводит к уменьшению величины этого заряда с сохранением значения его центроида (рис. 1). Последующие полевые воздействия на SIMOX-структуры (метод полевых циклов) показали практически полную стабильность зарядового состояния структур в области полей Eox 2.5MV/cm (рис. 3). При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля (начиная с Eox = 3MV/cm в случае структур, созданных без маскирующего оксида; начиная с Eox = 3.5MV/cm при dsc.ox. = 46.6 nm; начиная с Eox = 4.5MV/cm при dsc.ox. = 189.7 nm и начиная Рис. 3. Зависимости потенциала плоских зон от напряженс Eox = 5.5MV/cm при dsc.ox. = 246.4nm) величина ности электрического поля в окисле структур Si-SiO2, сфор-Vf b резко увеличивалась (рис. 3). Это свидетельство- мированных по технологии SIMOX. 1 — без маскирующего вало об образовании в окисле всех рассматриваемых окисного слоя, dsc.ox. = 46.6 (2), 189.7 (3), 246.4 nm (4).

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Роль маскирующего оксида на кремнии в процессах дефектообразования... таких структур, исключающей проникновение в окисный слой фрагментов воды (водорода и гирдроксильных групп).

На рис. 5 представлены зависимости интенсивностей полос ЭЛ 2.7 и 4.4 eV, а также величины положительного заряда, образующегося в SiO2 при формировании SIMOX-структур, от толщины маскирующего слоя. При увеличении толщины маскирующего SiO2 интенсивности полос ЭЛ и величина положительного заряда уменьшались и их изменения были существенными уже при использовании маскирующего слоя толщиной 46.6 nm.

Причем интенсивности полос ЭЛ 2.7 и 4.4 eV уменьшались в одинаковое число раз, что свидетельствовало в пользу того, что за обе полосы ЭЛ ответственны одни и те же дефекты.

Рис. 4. Спектры ЭЛ структур Si–SiO2, сформированных по технологии SIMOX. 1 — без маскирующего окисного слоя, Для выявления роли изменения энергии имплантиру2 — dsc.ox. = 46.6nm.

емых атомов кислорода после их прохождения через маскирующий слой оксида в наблюдаемом уменьшении идентичным, а влияние низкотемпературного отжига отсутствовало, предположили, что за данные заряды ответственны дефекты одной природы [2].

Спектры ЭЛ структур Si–термический SiO2 содержат ряд характеристических полос излучения с энергиями 1.9, 2.3, 2.7, 3.3, 3.8 и 4.6 eV, которые связаны с наличием различных дефектов в окисном слое и в области МФГ Si / SiO2 [1]. Полоса ЭЛ 1.9 eV возбуждалась термализованными электронами, другие полосы ЭЛ — электронами, разогретыми электрическим полем в окисном слое (в частности, полоса ЭЛ 2.7 eV возбуждалась в полях, больших или равных критическому полю E, в кото ром начинается процесс ударной ионизации матрицы SiO2) [1].

Спектры ЭЛ исследуемых SIMOX-структур содержали две характерные полосы ЭЛ: (460 nm) и 4.4 eV(280 nm) (рис. 4) [3]. Полоса ЭЛ 2.7 eV имела то же энергети- Рис. 5. Зависимости интенсивностей полос ЭЛ в спектрах структур Si-SiO2, сформированных по технологии SIMOX, ческое расположение и описывалась тем же гауссианом и величины положительного заряда в замурованном SiO2 от ((0.26 ± 0.07) eV), как и в случае структур с термически толщины маскирующего оксида. 1 —полоса ЭЛ(2.7 eV), 2 — выращенным SiO2, но возбуждалась в полях, меньших полоса ЭЛ (4.4 eV), 3 — величина положительного заряда.

E, и ее интенсивность была значительно больше, чем в спектрах структур Si–термический SiO2. В ультрафиолетовой области спектра ЭЛ наблюдалась одна отчетливо выраженная полоса излучения с энергией 4.4 eV, хорошо аппроксимируемая гауссовым распределением со среднеквадратичной дисперсией (0.31 ± 0.11) eV [3].

Интенсивности данных полос не изменялись при послойном стравливании окисного слоя до 250 nm от МФГ с Si. Это позволило установить, что ответственные за их появление центры люминесценции локализованы в окисном слое толщиной не более 250 nm от границы с кремнием.

В данном спектре полностью отсутствовала полоса ЭЛ 1.9 eV, что указывает на отсутствие в окисном слое силанольных групп (которые, как было установлено ранее [1], ответственны за данную полосу свечения). Это Рис. 6. Зависимость энергии имплантированных ионов кислообъясняется особенностью технологии формирования рода от толщины маскирующего слоя SiO2.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 64 А.Ю. Аскинази, А.П. Барабан, Л.В. Милоглядова интенсивностей полос ЭЛ и величины заряда нами были с перераспределением потерь энергии на электронную и выполнены расчеты потерь энергии атомов кислорода, атомную подсистемы кремния влетающих в него атомов имплантируемых с начальной E0 = 190 keV, после кислорода при незначительном уменьшении их энергии, прохождения ими слоя SiO2 [4] (рис. 6). что имеет место в данном случае [4].

Сопоставляя рис. 5 и 6, заметим, что незначительное Таким образом, наличие на поверхности кремния уменьшение энергии внедряемых атомов кислорода (при маскирующего окисла при создании структур кремний– малых толщинах маскирующего оксида) сопровождается двуокись кремния по SIMOX-технологии приводит к существенным уменьшением интенсивности полос ЭЛ значительному уменьшению в формируемом окисном и величины положительного заряда, причем при даль- слое вблизи границы с кремнием концентрации положинейшем значительном уменьшении энергии внедряемого тельно заряженных дефектов, преддефектных состояний кислорода указанные величины практически не изменя- и центров люминесценции в полосах 2.7 и 4.4 eV. Уменьются. шение концентрации преддефектных состояний привоНа данном этапе исследований можно предположить, дит к повышению полевой стабильности формируемых что за положительный заряд в окисле ответственны Si-SiO2 структур.

дефекты типа трехкоординированного атома кремния, модифицированные примесными атомами [2].

Список литературы На основании ранее полученных нами результатов и анализа литературных данных [3,5], полагаем, что за [1] Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника полосы ЭЛ 2.7 и 4.4 eV ответственны дефекты типа слоев SiO2 на кремнии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 304 с.

двухкоординированного кислородом кремния (O2 = Si :), [2] Аскинази А.Ю., Барабан А.П., Дмитриев В.А. и др. // которые возбуждаются горячими электронами с энерги- Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 27. С. 57–61.

[3] Барабан А.П., Коноров П.П., Малявка Л.В. и др. // ЖТФ.

ей 5eV.

2000. Т. 70. Вып. 8. С. 87–90.

Появление при формировании SIMOX-структур де[4] Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983.

фектов типа трехкоординированного атома кремния 360 с.

(модифицированных примесными атомами) и дефектов [5] Skuja L.N., Streletsky A.N., Pakovich A.B. // Sol. State типа двухкоординированного кислородом атома кремния Commun. 1984. Vol. 50. N 12. P. 1069–1072.

можно связать с образованием в SiO2 вблизи МФГ [6] Afanas’ev V.V., Stesmans A., Revesz A.G. // J. Appl. Phys. 1997.

с Si микрокристаллических кремниевых вкраплений, Vol. 82. N 5. P. 2184–2199.

наличие которых установлено в ряде работ [6–8]. Умень[7] Stahlbush R.E., Campisi G.J. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci.

шение интенсивностей рассматриваемых полос ЭЛ и ве1992. Vol. NS-39. P. 2086–2097.

личины положительного заряда с увеличением толщины [8] Stoemenos J., Garcia A. et al. // J. Electrochem. Soc. 1995.

маскирующего оксида коррелирует с уменьшением плот- Vol. 142. N 4. P. 1248–1260.

[9] Bota S., Perez-Rodriguez A., Morante H.R. et al. // VI Intern.

ности островковых включений кремния в SiO2 вблизи Symposium on Silicon-On-Insulator Tech. and Devices. San тыльной границы с Si [9].

Franciso, 1994. P. 179–184.

Существенное уменьшение концентраций центров люминесценции, электрически активных дефектов и преддефектов при незначительном уменьшении энергии ионов кислорода, входящих в Si, позволяет утверждать, что данные процессы связаны не с уменьшением энергии налетающих ионов кислорода, а с тем, что при прохождении через аморфный маскирующий слой SiO2 (даже малой толщины) происходит расфокусировка потока ионов, тем самым хаотизируется направление их движения и уменьшается суммарный импульс внедренных в кремний ионов кислорода. В этом случае практически не происходит проникновения отдельных ионов кислорода на значительное расстояние в глубь кремния и при последующем отжиге практически не образуется область SiO2 с малым содержанием атомов кислорода, следовательно, создается существенно меньшая концентрация дефектов типа двухкоординированного по кислороду атома кремния и типа трехкоординированного атома кремния.

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.