Электрофизические свойства ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом ионной имплантации и водородного переноса - Дипломная работа

«Кремний на изоляторе» (КНИ) - технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трехслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монокристаллических кремниевых пластин. Микросхемы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе», являются весьма перспективными для создания высокоскоростных СБИС. КНИ-структуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с объемным кремнием: существенное уменьшение величины емкости на подложку; повышение радиационной стойкости структур; отсутствие тиристорного эффекта (эффекта защелкивания); снижение токов утечки через подложку. Первый из них был разработан в начале 80-ых годов прошлого столетия и заключается во внедрении в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by OXYGEN - SIMOX) или азота (SIMNI) с последующим синтезом скрытого окисла при высокотемпературном (1300-1400ОС) отжиге [5]. Брюэлем [6], а именно - метод водородного переноса кремния (Smart Cut® SOI), состоящий в прямом сращивании облученной водородом донорной пластины кремния, покрытой слоем термического SIO2, с опорной кремниевой подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скола имплантированным водородом.При анодировании кремния в электролите, содержащем воду, реакция окисления на аноде происходит по следующей формуле: Si 2H2O 4h ® SIO2 4H (1) Были получены типичные кривые анодного окисления DU (разница текущего напряжения между электродами и напряжением в момент начала анодирования) как функция от времени анодирования. Для образования пленки окисла толщиной 1 нм расходуется 0,4 нм кремния. В общем случае, при анодном окислении в тонком сплошном слое оксида, покрывающем образец, устанавливается электрическое поле, под действием которого ионы оксидируемого материала или кислородосодержащие ионы (или те и другие одновременно) движутся через оксид. В этих работах определяется место взаимодействия атомов материала с окислителем, для различных материалов (кремний, германий, арсенид галлия, антимонид индия).Влияние этой величины на основные электрофизические свойства кремния можно нагляднее всего продемонстрировать на МОП-транзисторах, сформированных на основе КНИ-структур с различной толщиной пленки отсеченного кремния. В работе [4] были изучены экспериментальные зависимости порогового напряжения МОП-транзисторов, сформированных на основе КНИ-структур с толщинами пленки кремния над диэлектриком 100, 75, 50, 25 нм и МОП-транзисторов на основе объемного кремния от длины канала при комнатной температуре. Показано, что для длин канала 300 нм и более практически отсутствует разница между пороговыми напряжениями МДП-транзисторов, сформированных на основе объемного кремния и МДП-транзисторов сформированных на основе КНИ-структур с толщиной отсеченного слоя кремния 100 нм, однако при значениях длины канала менее 250 нм разница их порогового напряжения составляет около 10% и для транзистора сформированного из КНИ-структуры меньше, чем для транзистора на основе объемного кремния. Из этих зависимостей тоже видно, что с утончением пленки кремния над диэлектриком пороговое напряжение уменьшается: и для фронтального и для тылового транзисторов пороговое напряжение для толщины пленки отсеченного кремния равной 110 нм на 40% меньше, чем для толщины пленки кремния равной 164 нм. Показано, что с уменьшением толщины отсеченного слоя кремния для транзисторов с длиной канала 1 мкм и 2 мкм падение подвижности существеннее, чем для транзистора с длиной канала 5 мкм, и составляет между максимальным и минимальным значением толщины пленки кремния составляет от 20 до 50%.Для исследования электрофизических свойств ультратонких пленок кремния на изоляторе использовались КНИ-структуры с диоксидом кремния в качестве изолятора. Для их создания использовались две монокристаллические кремниевые пластины КДБ 10-20 с ориентацией (100), первая пластина, используемая в качестве подложки, подвергалась термическому окислению, в результате чего на ее поверхности образовался слой диоксида кремния толщиной около 300 нм. Вторая пластина подвергалась имплантации ионами водорода H2 с энергий 140 КЭВ дозой ~2·1016 см-2, через тонкий защитный слой SIO2 толщиной 50 нм, который после имплантации удалялся в разбавленной плавиковой кислоте (HF:H2O = 1:100). В результате, после удаления внешнего нарушенного слоя, были сформированы КНИ-структуры с пленкой кремния на изоляторе толщиной ~500 нм, захороненным SIO2 толщиной ~300 нм и высококачественной границей раздела /. Использованный метод создания таких структур заключался в комбинации имплантации ионов Ge в термически выращенную пленку диоксида кремния на кремниевой подложке с последующим водородным переносом на нее слоя Si.Контроль толщины окисленного слоя кремния проводился методом эллипсометрии, принцип которого заключается в измерении изменения состояния поляризации света после его отражения от поверхности образца, определяющегося отношением комплексных френелевских коэффициентов отражения

Оглавление

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Механизм анодного окисления кремния

1.2 Влияние толщины пленки кремния на ее электрофизические свойства

2. Методика эксперимента

2.1 Создание структур «кремний на изоляторе»

2.2 Анодное окисление структур «кремний на изоляторе»

2.3 Измерение методом эллипсометрии

3. Результаты

3.1 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе» в условиях анодного окисления

3.2 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе», содержащих Ge на границе сращивания Si/SIO2, в условиях анодного окисления

Выводы

Список литературы

«Кремний на изоляторе» (КНИ) - технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трехслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монокристаллических кремниевых пластин. В качестве диэлектрика обычно выступает диоксид кремния SIO2. Микросхемы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе», являются весьма перспективными для создания высокоскоростных СБИС. КНИ-структуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с объемным кремнием: существенное уменьшение величины емкости на подложку; повышение радиационной стойкости структур; отсутствие тиристорного эффекта (эффекта защелкивания); снижение токов утечки через подложку. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров [1-4].

В настоящее время в мире используются два основных метода создании пластин КНИ. Первый из них был разработан в начале 80-ых годов прошлого столетия и заключается во внедрении в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by OXYGEN - SIMOX) или азота (SIMNI) с последующим синтезом скрытого окисла при высокотемпературном (1300-1400ОС) отжиге [5]. Другой способ создания КНИ-структур был предложен в 1986г. М. Брюэлем [6], а именно - метод водородного переноса кремния (Smart Cut® SOI), состоящий в прямом сращивании облученной водородом донорной пластины кремния, покрытой слоем термического SIO2, с опорной кремниевой подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скола имплантированным водородом. Метод водородного переноса устранил недостатки присущие методу SIMOX. Основные его достоинства - существенно более низкая плотность дефектов в рабочих слоях, являющихся серьезным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов, а также более качественная граница раздела /.

Наметившиеся в последние годы тенденции в создании быстродействующих интегральных схем требуют снижения размеров элементов до нанометровых величин. Поэтому создание структур КНИ субнанометровых и нанометровых толщин является важной технологической задачей. Ее решение связанно с изучением целого ряда физических задач, возникающих при уменьшении толщин пленок кремния до нанометровых размеров. Одной из них является исследование процесса анодного окисления КНИ-структур. Обычные методы окисления, разработанные для объемного кремния, являются высокотемпературными и характеризуются образованием дефектов окисления: скопления междоузельных атомов, дефекты упаковки и другие, размеры которых могут достигать 1 мкм. Эти методы окисления становятся неподходящими, когда толщины пленок кремния достигают субнанометровых размеров. В результате, возникает проблема разработки и исследования новых методов утончения слоев кремния до нанометровых величин.

Привлекательность метода анодного окисления в данном случае оправдана тем, что он является низкотемпературным методом (процесс анодного окисления протекает при комнатной температуре) и высокоточным (точность толщины окисленного слоя может составлять несколько ангстрем) [8]. Однако процесс анодного окисления КНИ-структур вплоть до настоящего времени никем не изучался. С другой стороны, есть все основания предполагать, что этот процесс будет отличаться от процесса анодирования объемного кремния. Это обусловлено тем, что процессы протекания тока в тонких пленках существенно отличаются от процессов протекания тока в объемном кремнии [12-13].

Целью данной работы является исследование электрофизических свойств ультратонких пленок кремния на изоляторе, сформированных методом водородного переноса, в условиях анодного окисления.

1.