WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Влияние импульсного токового отжига на электрофизические характеристики поликристаллического кремния p-типа ¶ © В.А. Гридчин, В.М. Любимский Новосибирский государственный технический университет, 630092 Новосибирск, Россия (Получена 7 июня 2004 г. Принята к печати 21 июня 2004 г.) Исследовано влияние импульсного токового отжига на электропроводность, концентрацию, подвижность дырок и пьезосопротивление в поликристаллическом кремнии. Отжиг проводился последовательностью импульсов тока, что позволило уменьшить величину порогового тока. После импульсного отжига наблюдается рост подвижности при неизменяющейся концентрации дырок, а также уменьшение по абсолютной величине коэффициентов продольной и поперечной тензочувствительности. Уменьшение коэффициентов тензочувствительности в результате импульсного отжига не может быть объяснено в рамках существующей модели токового отжига.

1. Введение в [10], однако, по мнению авторов [11], такой подход является не убедительным.

Влияние импульсного тока отжига (ИТО) на элек- В работах [1–6] импульсный отжиг проводился одиночными импульсами. Пороговая плотность тотропроводность поликремниевых резисторов впервые ка, при пропускании импульса которого начинаобнаружено в [1], а затем исследовано в ряде работ [2–8].

ет наблюдаться эффект уменьшения сопротивления, Было установлено, что после пропускания импульса 106 A/cм2 [1,3–6,8,9]. Для достижения указанной плоттока больше некоторого порогового значения в полиности тока в [1,3–6,8] резисторы имели толщину порядка кристаллическом кремнии с концентрацией носителей 0.5 мкм и ширину не более 20 мкм.

заряда порядка 1020-1021 cм-3 наблюдается уменьшение В практическом плане эффект ИТО позволяет измесопротивления поликремниевого резистора [1]. Аналонять величины поликремниевых резисторов после изгогичное изменение сопротивления при пропускании имтовления интегральных схем, что важно, например, для пульсов тока было обнаружено в поликристаллическом операционных усилителей и тензорезистивных мостов.

Si–Ge, легированном бором с концентрацией примеси Для обеспечения большей надежности и управляемости 6 · 1019 см-3 [9]. Физическая модель, объясняющая напроцессом ИТО, величину порогового тока желательно блюдаемое явление в поликристаллическом кремнии, понизить. Можно ожидать уменьшение величины пороследующая [2]: при пропускании импульса тока через говой плотности тока, если разогреть слой поликристалполикремниевый резистор джоулево тепло в основном лического кремния до температуры отжига, например, выделяется в аморфных слоях на границах раздела пропуская цуг импульсов тока.

кристаллитов, и происходит расплавление этих слоев.

Цель данной работы заключалась в исследовании Примесь скапливается в расплавленной зоне, и после влияния на электропроводность, эффекты Холла и пьеохлаждения образуется канал с меньшим, чем это было зосопротивление поликристаллического кремния ИТО, до отжига, сопротивлением. В результате общее сопроисходящего в результате пропускания цуга импульпротивление резистора уменьшается, при этом конценсов тока.

трация носителей заряда, определенная из холловских измерений, остается постоянной [1,2].

Влияние ИТО на пьезосопротивление и электропро- 2. Экспериментальные результаты водность поликристаллического кремния исследовалось Пленки поликристаллического кремния получены в в работах [5–7]. B [5,6] определены продольные (Sl) и реакторе пониженного давления при 610 и 625C на поперечные (St) коэффициенты тензочувствительности окисленных кремниевых пластинах, ориентированных в поликристаллическом кремнии p-типа, было установв плоскости (100). Толщина окисла — 0.43 мкм. Толлено, что после ИТО коэффициенты тензочувствительщины поликремниевых пленок 0.5 мкм. Легирование ности растут по абсолютной величине, однако их измепленок проводилось имплантацией бора с энергией нения меньше относительных изменений сопротивлений.

ионов 50 кэВ и дозой 4 · 1015 ион/см2 с последующим В [5,6] на основании результатов ИТО были определены отжигом при 1000–1150C в течение 40 мин. Параметры коэффициенты тензочувствительности кристаллитов и исследованных пленок приведены в табл. 1. Пленки не барьеров. Описание эффекта пьезосопротивления в поимеют текстуры (изотропны).

ликристаллическом кремнии с помощью коэффициентов Для экспериментального определения электрофизипьезосопротивления зерен и барьеров было предложено ческих характеристик исследованных слоев на пласти¶ E-mail: lubvlm@ngs.ru нах с помощью фотолитографии были сформированы Влияние импульсного токового отжига на электрофизические характеристики... Таблица 1. Таблица параметров исследованных до ИТО образцов s, v, p µ, TKs, Tgr, Tann, Толщина d, v № Ом/, 10-3 Ом · см, 1019 см-3, см2/B · c, 10-4 град-1, C C слоя Si, мкм 10-3 Ом · см образца 24C 24C 24C 24C 24C мкм [12] 1 84 4.62 6.5 21 1.83 610 1000 0.55 6.52 4 51 2.8 6.75 33 7.9 1150 0.55 14.7 1.5, 5-1 65 3.4 7 26.5 5 625 1000 0.525 10.3 1. Примечание. d — средний размер кристаллита в пленке, Tgr — температура роста, Tann — температура отжига.

тестовые структуры (рис. 1), позволяющие измерять Последовательность экспериментальных исследовасопротивление, продольный и поперечный коэффициен- ний была следующая. Вначале проводились температурты тензочувствительности и исследовать эффект Холла. ные измерения электропроводности и эффекта Холла.

Резисторы R1 и R2 имеют следующие размеры: ширина Затем определялись температурные зависимости про50 мкм, длина 500 мкм. дольного и поперечного коэффициентов тензочувствиПластины разрезались на образцы в виде прямоуголь- тельности. После этого проводился ИТО на образцах, ных параллелепипедов, длинная ось которых совпадает находящихся в установке механического нагружения с направлением [110] кремниевой подложки (рис. 1). балок. Для стабилизации характеристик образцов проЭффект Холла исследовался на постоянном токе, водилось термоциклирование в интервале температур в постоянном магнитном поле с величиной индукции 20–100C, далее определись коэффициенты тензочувмагнитного поля 1.56 Тл. Ток пропускался через кон- ствительности после ИТО и, наконец, исследовались такты 4 и 8, а холловское напряжение измерялось на эффект Холла и электропроводность.

контактах 5 и 6.

ИTO проводился пропусканием цуга импульсов тока величиной 80–100 мА, длительностью 150–250 мкс и скважностью 2–3 через контакты 1 и 4 или 4 и 8 в течение приблизительно 1-2 с. После пропускания импульсов тока измерялось сопротивление R1-4 или R4-8.

Величина порогового тока, как и ожидалось, уменьшалась и составляла (3-4) · 105 А/см2.

Рис. 1. Балка с продольным и поперечным резисторами.

3. Обсуждение результатов Сопротивления резисторов после импульсного отжига Коэффициенты тензочувствительности определялись уменьшались на различную величину в зависимости от в результате деформации образцов, как жестко закрепвремени пропускания цуга импульсов (от нескольких ленных консольных балок. Измерения коэффициентов процентов до десятков процентов). На рис. 2 приведены тензочувствительности и сопротивления проводились типичные зависимости удельного сопротивления от темчетыреxконтактным методом, ток пропускался через пературы трех исследованных образцов. Концентрации контакты 1 и 4 или 4 и 8 от генератора тока, а напряжение измерялось на контактах 2 и 3 или 6 и 7.

Продольный (Sl) и поперечный (St) коэффициенты тензочувствительности определялись из выражений [13] Ul Ut = Sll + Stt, = Slt + Stl, Ul Ut где Ul — падение напряжения между контактами 6 и 7, Ul — изменение падения напряжения между контактами 6 и 7 при действии деформации, Ut — падение напряжения между контактами 2 и 3, Ut — изменение падения напряжения между контактами 2 и 3 при действии деформации, l, t — деформации вдоль и поперек резистора.

Рис. 2. Температурные зависимости удельного сопротивления При этом предполагалось, что деформация полностью до и после ИТО. 1 — образец 1, 2 — образец 4, 3 — образец 5.

передается из подложки поликремниевым резисторам. Cплошная линия — до отжига, штриховая — после отжига.

2 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 194 В.А. Гридчин, В.М. Любимский В табл. 2 приведены значения поверхностного сопротивления, концентрации, подвижности носителей заряда, сопротивления между контактами 5 и 6 при комнатной температуре для двух исследованных образцов.

Величина R5,6 cкладывается из поперечного сопротивления резистора R1 и сопротивлений отводов для потенциальных контактов. Число квадратов на отводах равно 8. Величина R5,6 приблизительно на 60–70% определяется сопротивлением отводов. Из таблицы видно, что в результате отжига сопротивление R5,6 практически не изменяется, в то время как сопротивления резисторов в перпендикулярном направлении изменяются на Рис. 3. Температурные зависимости подвижностей дырок до и 40%.

и после ИТО. 1 — образец 1, 2 — образец 4, 3 — образец 5.

Cплошная линия — до отжига, штриховая — после отжига.

Таблица 2.

№ s, p, µ, R5,6, Отжиг образца Ом/ 1019 cм-3 см2/B · c Ом 4 Нет 51.2 6.8 33 4 Да 37.8 6.9 46 2 Нет 101.7 7.25 17.2 2 Да 59.5 10 20.6 На рис. 5, 6 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов тензочувствительности нескольких исследованных образцов до и после ИТО.

Сопротивления продольных резисторов образцов 1, 4, в результате ИТО уменьшились соответственно на 5, Рис. 4. Зависимость температурного коэффициента сопротив35, 3.8%, а сопротивления поперечных резисторов у ления от отношения сопротивлений до и после ИТО.

образцов 1, 4, 5-1, 5 уменьшились соответственно на 14, 15, 30, 3.8%. Из рисунков видно, что после ИТО как продольный, так и поперечный коэффициенты дырок после ИТО, как и в [1,3–7], не изменялись в тензочувствительности образцов 1 и 4 уменьшаются.

пределаx ошибки эксперимента, и изменения удельных Причем изменения продольных коэффициентов тензосопротивлений связаны с изменением подвижностей чувствительности всегда меньше, чем изменения удельдырок. На рис. 3 приведены температурные подвижности ного сопротивления; наклоны графиков температурных дырок до и после ИТО. Из сравнения температурных зависимостей коэффициентов тензочувствительности до зависимостей удельных сопротивлений и подвижностей, и после ИТО — близки. В случае небольших изменений приведенных на рис. 2 и 3, видно, что они подобны.

Как известно, зависимости подвижности носителей заряда от температуры для большинства механизмов рассеяния могут быть описаны законом r µ = AT, где A и r — некоторые постоянные.

Оказалось, что характер температурных зависимостей подвижности не изменяется в результате отжига. Это свидетельствует о том, что механизм рассеяния дырок после ИТО изменяется слабо.

На рис. 4 приведены зависимости температурного коэффициента сопротивления (TRC) в зависимости от отношения сопротивлений до (R0) и после (R) ИТО образцов из пластины 5. Из рисунка видно, что с Рис. 5. Температурные зависимости продольной тензочувствиувеличением отношения R/R0 наблюдается увеличение тельности до и после ИТО. 1 — образец 1, 2 — образец 4, TRC, подобное тому, как это наблюдалось в [3] для 3 — образец 5. Cплошная линия — до отжига, штриховая — образца, легированного бором.

после отжига.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние импульсного токового отжига на электрофизические характеристики... Два факта при исследовании ИТО являются неожиданными. Во-первых, уменьшение поперечного коэффициента тензочувствительности больше уменьшения продольного коэффициента тензочувствительности по абсолютной величине при одинаковом изменении удельного сопротивления в результате ИТО. Во-вторых, даже при больших изменениях удельного сопротивления в результате отжига температурные зависимости подвижности и коэффициенты тензочувствительности если и изменяются, то незначительно. Неожиданными эти факты являются потому, что на границах кристаллитов существуют потенциальные барьеры, которые уменьшают температурный коэффициент сопротивления поликристаллического кремния [11]. Поэтому можно было бы ожидать, что после ИТО температурные зависимости Рис. 6. Температурные зависимости поперечной тензочувствиподвижностей и тензочувствительностей изменятся.

тельности до и после ИТО. 1 — образец 1, 2 — образец 4, Существующие модели электропроводности и ИТО 3 — образец 5-1, 4 — образец 5. Cплошная линия — до исходят из предположения о движении носителей заотжига, штриховая — после отжига.

ряда вдоль одной координаты. Между тем изменение проводимости в результате импульсного токового отжига может приводить к изменению растекания токов сопротивлений образца 5 после ИТО изменения Sl и St в кристаллитах. Эффект пьезосопротивления в кремнии сравнимы с ошибками эксперимента (рис. 5, 6).

обладает сильной угловой зависимостью, которая может На основе модели токового отжига, предложенной привести к уменьшению коэффициентов тензочувствив [2,3], и существующей в настоящее время модели тельности при изменении угловых распределений токов электропроводности в поликристаллическом кремнии в контактирующих кристаллитах.

может быть объяснено только увеличение абсолютПодводя итоги, можно сделать следующие выводы.

ных величин тензочувствительности после ИТО и то 1. В результате ИТО изменение сопротивлений протолько качественно. Так, согласно существующей моисходит в основном вдоль резисторов.

дели электропроводности, удельное сопротивление по2. Изменение удельного сопротивления поликристалликристаллического кремния определяется удельными лического кремния p-типа связано с изменением посопротивлениями кристаллитов (c) и барьеров (b), движности дырок.

например, [11]:

3. Температурные зависимости тензочувствительностей не изменяются или изменяются слабо, а подвиж2w 2w = b + 1 - c, ности дырок в результате ИТО слабо изменяются.

L L 4. Уменьшение тензочувствительностей в результате где L — средний размер кристаллита, w — полуширина ИТО не может быть объяснено в рамках существующей заряженного слоя.

модели ИТО и модели движения носителей заряда вдоль Эффект пьезосопротивления в поликристалличеодной координаты.

ском кремнии при концентрациях носителей заряда (6-7) · 1019 cм-3 определяется в основном зернами, а барьеры вносят незначительный вклад [11,13,14]. Выра- Список литературы жения для оценки тензочувствительностей могут быть [1] Y. Amemiya, T. Ono, K. Kato. IEEE Trans. Electron. Dev., упрощены, если ось балки, как в нашем случае, имеет ED-26, 1738 (1979).

направление [110], так как тогда t 0.06l. Поэтому [2] K. Kato, T. Ono, Y. Amemiya. IEEE Trans. Electron. Dev., если до и после ИТО коэффициенты тензочувствительED-29, 1156 (1982).

ности соответственно равны:

[3] K. Kato, T. Ono. Jap. J. Appl. Phys., 35, 4209 (1996).

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.