НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

імені В.Є. ЛАШКАРЬОВА

КИЗЯК АНАТОЛІЙ ЮРІЙОВИЧ

УДК 539.216:537.222, 537.3

ПРОЦЕСИ ТУНЕЛЮВАННЯ І ВБУДОВИ ЗАРЯДУ

В ТОНКИХ І НАДТОНКИХ ПЛІВКАХ SiO2.

01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук

Євтух Анатолій Антонович,

Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Назаров Олексій Миколайович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,

провідний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук

Литвиненко Сергій Васильович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, старший науковий співробітник кафедри напівпровідникової електроніки

Захист відбудеться 21 грудня 2007 р. о 1615 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, м. Київ, проспект Науки 41

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, м. Київ, проспект Науки 45

Автореферат розісланий “____” ____________ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук О.Б. Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Структура напівпровідник-діелектрик-напівпровідник (наприклад, Si-SiО2-Si) або метал-діелектрик-напівпровідник (Ме-SiО2-Si) протягом 40 років широко використовується в напівпровідниковій електроніці. Дуже важливим елементом у цій структурі є двоокис кремнію SiО2, що розташований між областю каналу і затвором у МОН транзисторі. Дійсно, електрофізичні параметри цієї плівки суттєво впливають на функціональні можливості будь-якого приладу з її використанням.

Якість та основні параметри плівки SiО2 закладаються в процесі окислення кремнію, тобто в процесі її отримання. Незважаючи на те, що кінетика окислення вивчається досить давно, механізм окислення, особливо на початковому етапі (до 30 нм), до кінця не встановлено і зараз. В той же час розуміння цього механізму є важливим і актуальним також зараз, коли розміри плівки, що використовується в мікро- і наноелектронних приладах, знаходяться в межах області більш швидкого початкового окислення кремнію (менше 30 нм). Одночасно йдуть пошуки альтернативних діелектричних плівок, наприклад, оксинітриду кремнію, оксиду гафнію, що використовувалися б замість SiО2. Однак діоксид кремнію все ще залишається найбільш широко використовуваним через наявну численну інформацію про його властивості і високу технологічність.

Важливим структурним елементом в схемах пам'яті є діоксид кремнію. Практично у всіх запам'ятовуючих елементах типу FLASH і FLOTOX (Floating Tunnel-Oxide) (на кремнієвих підкладках), що застосовуються у схемах пам'яті, для запису і стирання інформації використовується режим тунелювання носіїв струму через діелектрик. В якості плівки, через яку відбувається тунелювання, як правило, використовується SiО2. Найбільш важливими параметрами елемента пам’яті, які і визначаються електрофізичними властивостями двоокису кремнію, є кількість циклів запису/стирання, час збереження інформації і пробивна напруга діоксиду кремнію.

Радіаційно-стійкі прилади знаходять широке застосування, наприклад, у космічній і військовій техніці. Однак сучасні ІС вимагають і тут використання дуже тонких діелектриків, і альтернативи плівкам двоокису кремнію поки що немає, зокрема, через більш високу стійкість до різного виду радіаційних впливів.

В зв’язку з інтенсивним розвитком кремнієвої наноелектроніки необхідність дослідження системи кремній-двоокис кремнію, надтонких плівок SiО2 і границі розділу Si-SiО2 зростає. Це обумовлено тим, що важливими об’єктами кремнієвої нано- та оптоелектроніки є нанокомпозитні плівки SiО2(Si), що містять нанокристали кремнію, вбудовані в діелектричну матрицю SiО2.

Таким чином, поки кремній залишається дуже важливим матеріалом, який використовується і, очевидно, ще довго буде застосовуватися в електроніці, будучи базовим матеріалом при розробці і виготовленні мікро- та нано пристоїв, доти будуть важливі дослідження властивостей плівок SiО2 як з наукової, так і з практичної точок зору.

З огляду на вище викладене, очевидна актуальність і необхідність проведення подальших досліджень електрофізичних властивостей, вивчення кінетики росту, процесів тунелювання і радіаційної стійкості тонких і надтонких плівок SiО2.

На момент формування теми даної дисертації були нез'ясовані наступні задачі і проблеми, серед яких: 1) не зовсім ясний механізм окислення на початковому етапі (0-30 нм); 2) інформація про розподіл заряду в окислі після окислення носить в основному вибірковий характер; 3) не зрозуміло, чи є вплив на кінетику окислення заряду в окислі, і який саме; 4) оскільки немає реальної картини розподілу заряду в окислі, то немає і реальної картини впливу заряду в окислі на процес тунелювання; 5) вплив гамма-oпромінення на параметри тонких шарів (15 нм) SiО2 отриманих на кремнії р-типу з різним рівнем легування підкладки бором вияснений не до кінця.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідни-ків ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, закріплених його Статутом і виконувалась у відповідності до тем:

1. Науково-технічна програма “Фізика напівпровідникових наноструктур”. Постанова Бюро Президії НАН України від 12.01.2002 р.

2. Бюджетна тема № ІІІ-5-06 “Фотоелектричні, люмінесцентні, емісійні та поверхневі властивості нанорозмірних напівпровідникових структур” 2006-2010 рр.

Мета і задачі дослідження:

Метою даної роботи є встановлення механізмів формування заряду в процесі окислення кремнію і гама-опромінення, його розподілу в тонких і надтонких плівках двоокису кремнію та визначення впливу вбудованого заряду на процеси тунельного струмопереносу.

Об’єктом дослідження є тонкі (10–50 нм) та надтонкі (1-10 нм) плівки SiО2, які використовуються в приладах мікро- та наноелектроніки.

Предметом досліджень є вивчення розподілу заряду в SiО2, що вбудувався в процесі окислення, впливу цього заряду на процес тунелювання через SiО2 (з кремнієвої підкладки або з металевого затвору), і впливу гамма-опромінення та послідуючих відпалів на електрофізичні властивості двоокису кремнію.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні основні наукові задачі:

1. Отримання експериментальних залежностей розподілу потенціалу (заряду) в плівці двоокису кремнію, що вбудувався в процесі окислення кремнію при різних температурах. Встановлення механізму формування заряду.

2. Вияснення впливу технологічних параметрів (типу підкладки, товщини окисної плівки, відпалів в атмосфері водню та парів води) на процес тунелювання в тонких і надтонких плівках SiО2.

3. Визначення механізмів впливу гама-опромінення на електрофізичні властивості тонких плівок двоокису кремнію з метою мінімізації впливу на параметри сучасних напівпровідникових приладів з коротко канальними МОН- транзисторами та ІС.

4. Визначення впливу заряду в SiО2 на кінетику окислення кремнію.

В якості основних методів дослідження використовувались: метод високочастотних вольт-фарадних характеристик (HF С-V метод) та метод пошарового травлення, метод вольт-амперних характеристик (І-V метод), еліпсометрія, ІЧ-спектроскопія, атомна силова мікроскопія (AFM-atomic force microscopy). При виготовлені експериментальних зразків було використане наступне обладнання. Плівки двоокису кремнію вирощувались термічним способом в кварцевих та кремнієвих трубах, металеві (Al) затворні електроди осаджені магнетронним напиленням. При обробці результатів використовувалась новітня комп’ютерна та обчислювальна техніка.

Наукова новизна отриманих результатів. В результаті дослідження розподілу заряду в плівках SiО2, процесів тунелювання через надтонкі плівки та впливу гамма-опромінення на властивості окисла при реалізації поставлених вище задач вперше отримані такі наукові результати:

1. Експериментально отримано детальний розподіл потенціалу по товщині в плівках SiО2 вирощених при різних температурах (800°С, 850°С, 950°С, 1000°С, 1100°С) на Si(111). Показано, що розподіл потенціалу в окислі суттєво відрізняється для плівок отриманих при відносно низьких Т950°С та високих Т950°С температурах. Проаналізовані механізми відповідальні за ці відмінності.

2. Показано, що немонотонна залежність розподілу потенціалу, а значить і заряду, по товщині окисної плівки зумовлена структурними перетвореннями в результаті релаксації механічних напружень в процесі росту SiО2. Запропоновано механізм перерозподілу позитивного заряду в окислі в процесі окислення.

3. Виявлено вбудований ефективний від’ємний заряд на/біля границі Si/SiО2 для МОН структур з плівкою SiО2 (15 нм) після дії гама-опромінення. Цей ефект обумовлений наявністю бору певної концентрації в плівках двоокису кремнію вирощених на кремнії легованому бором до концентрації 1017 см-3. Запропоновано механізм виникнення від’ємного заряду в результаті захоплення електрона на вільний зв’язок атома бора.

4. Показано суттєвий вплив заряду в надтонких плівках SiО2 (3-9 нм) на процес тунелювання. Виявлено, що при інжекції з підкладки струм через плівку двоокису кремнію визначається прямим тунелюванням носіїв струму з підкладки в затвор, а при інжекції з затвору величина струму обмежується бар’єром, що утворюється в кремнії біля границі Si-SiО2 за рахунок збіднення приграничної області електронами.

5. Встановлено, що відпали в парах води та водні по-різному впливають на процес струмопереносу в режимі прямого тунелювання. Відпал в парах води більш ефективно пасивує глибокі пастки в плівках SiО2 вирощених на р-Si, порівняно з воднем, а водень в плівках SiО2 вирощених на n-Si.

6. Показано, що бор видіграє важливу роль в стійкості МОН структури до дії гама опромінення. По-перше, він зменшуює величину позитивного заряду, що утворюється в результаті опромінення в діелектрику; по-друге, він є причиною утворення від’ємного заряду на границі Si/SiO2 та в приграничній області, який сприяє підвищенню рухливості носіїв заряду в каналі транзистора.

Практичне значення отриманих результатів визначається можливістю використання їх в приладах мікро- та наноелектроніки. Серед отриманих результатів найбільше практичне значення мають наступні результати:

1. Результати по розподілу потенціалу (заряду) можуть бути використані при моделюванні процесу кінетики окислення, тобто можна ввести в існуючі моделі окислення більш реальний характер розподілу потенціалу (заряду) в окислі. Це дозволить адекватно моделювати процес росту плівки SiО2 та використовувати ці результати при розробці технологічних режимів окислення при виготовленні напівпровідникових приладів та ІС.

2. Виявлено, що відпали у парах води та водні зменшують кількість глибоких пасток в забороненій зоні SiО2. Це приведе до зменшення струму витоку заряду з плаваючого затвору в схемах пам’яті. В результаті істотно покращиться такий важливий параметр елемента пам’яті, як тривалість зберігання заряду.

3. Показано, що чутливість n-канальних транзисторів до гама-опромінення в значній мірі залежить від рівня легування підкладки бором, який в свою чергу впливає на величини вбудованих позитивного і негативного зарядів. Це дає можливість врахувати вплив гама-опромінення на порогову напругу при моделювання параметрів МОП- транзисторів та їх виготовленні.

4. Показано, що на структуру р-канального МОН-транзистора вплив дози опромінення набагато сильніший порівняно з n-канальним. Це необхідно враховувати при розробці радіаційно стійкої електронної апаратури.

Особистий вклад пошукача. Ідея та напрямок досліджень були запропоновані науковим керівником. Особистий внесок здобувача в представлених в науковій роботі результатах наступний: експериментальні дослідження – [1, 2, 3, 5-15], аналіз та інтерпретація отриманих результатів – [1-15], участь в написанні тексту публікації – [1, 2, 3, 5, 6, 12, 15].

Апробація результатів дисертації. Основні результати, що ввійшли в дисертаційну роботу були представлені на конференціях: Міжнародна конференція E-MRS (Страсбург, Франція, 1998); Міжнародна конференція по технології елементів енергонезалежної пам’яті (Альбукерке, США, 1998); Міжнародна конференція E-MRS (Страсбург, Франція, 2001); П’ята міжнародна науково-практична конференція “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса, Україна, 2004); II Українська наукова конференція з фізики напівпровідни-ків (Чернівці, Вижниця, Україна, 2004); Міжнародна конференція “Nanoscaled semiconductor-on-insulator structures and devices” (Судак, Крим, Україна, 2006).

Основні результати дисертації викладені в 15 опублікованих роботах, в тому числі 5 статей в фахових реферованих журналах.

Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи становить 153 сторінки машинописн-ого тексту, 207 посилань на 19 сторінках. Робота ілюстрована 50 рисунками та 8 таблицями. Ілюстрації, що розміщені на окремих сторінках, займають 2 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладені основні положення, що виносяться на захист, наводяться відомості про наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено також дані про публікації, особистий внесок дисертанта та апробацію результатів дисертації.

В першому розділі проведений огляд літератури, що відображає сучасний стан питань, що стосуються теми дослідження в дисертації. Це такі проблеми, як взаємозв’язок між кінетикою окислення та зарядом в SiO2, вплив заряду на процес тунелювання в тонких і надтонких плівках SiO2 та вплив гама-опромінення на утворення заряду в МДН структурі. Показано, що сучасний стан цих проблем потребує подальшого їх вивчення. Наприклад, в моделях впливу заряду на кінетику окислення основним недоліком є відсутність експериментальних даних більш детального розподілу заряду в окислі кремнію, що дало б змогу узагальнити модель кінетики окислення. Незважаючи на достатньо довгий період вивчення процесу тунелювання, на практиці для погодження теоретичних та експериментальних результатів тунелювання в реальних структурах, особливо у випадку тонких діелектричних плівок, часто доводиться вводити емпирічні поправочні коефіцієнти, завдяки невизначеності впливу технологічних факторів (концентрація, тип домішок в підкладці), а також заряду в SiO2 на цей процес. При вивчені радіаційної стійкості тонких діелектричних плівок не зовсім з’ясована роль домішок бору і фосфору в процесах деградаційної стійкості, і вплив цих домішок на механізм вбудови заряду в них.

У другому розділі представлено експериментальні результати дослідження розподілу ефективного потенціалу (заряду) в плівках двоокису кремнію отриманих при різних температурах, а також запропонований механізм вбудови заряду в об’ємі SiО2.

Вперше експериментально отримано розподіл потенціалу (заряду) (рис. 1), що утворюється в процесі окислення, в плівках SiО2 різної товщини та отриманих при різних температурах (Т=800°С, 850°С 950°С, 1000°С, 1100°С). Виявлена однакова закономірність товщинного розподілу потенціалу в плівках SiО2 вирощених при Ті950°С на товщинах плівки до 9 нм. Розподіл потенціалу в плівках отриманих при Т=800°С суттєво відрізняється в межах товщин окисла ~ 0-9 нм. Величина і розподіл заряду визначаються температурною окислення.

Запропонований механізм виникнення заряду в плівці двоокису кремнію. Суть його в тому, що в результаті реакції взаємодії кисень-кремній утворюється іонізований позитивно заряджений атом кремнію, який і є джерелом позитивного заряду на/при границі Si-SiО2. Процес утворення іонізованого позитивно зарядженого атому кремнію можливий переважно лише на границі окисел-кремній в процесі окислення, при утворенні зв'язку Si-O виділяється енергія ~8,2 еВ. Перший потенціал іонізації кремнію складає ~8,1 еВ. Таким чином позитивно заряджений атом кремнію практично найбільш ймовірно отримати лише в процесі взємодії атома кремнію з киснем, в результаті чого виділяється така велика енергія. З цього положення витікає, що позитивний заряд формується на границі окисел-кремній в процесі окислення. В об’ємі плівки SiО2 заряд виникає в результаті перерозподілу позитивного заряду, що виникає на/при границі Si-SiО2, в процесі росту плівки окисла.

Порівняльний аналіз структурних перетворень в плівці SiО2 при температурах менших 950°С і розподілу потенціалу (заряду) в ній (рис. 1а) показує добру узгодженість зміни цих факторів по товщиині окисної плівки (рис. 2).

Цей факт дає можливість стверджувати, що причиною, яка приводить до того чи іншого характерного розподілу потенціалу (заряду) в окислі, є структурні перетворення, які в свою чергу в значній мірі визначаються механічними напруженнями в плівці SiО2, що виникають в процесі окислення. Враховуючи це, показано, що різниця, яка спостерігається в розподілі потенціалу (заряду) для плівок SiО2 (рис. 1а) отриманих при Ті950°С і ТЈ950°С зумовлена особливостями релаксації механічних напружень в процесі росту плівки окисла.

Рис. 1. Розподіл потенціалу в плівках SiО2 отриманих при різних температурах на кремнії n-Si <111> c концентрацією домішок в підкладці 1Ч1015 см-3 в діапазоні товщин окисла- а) (0 ч 10) нм: 1 – Т=1100С в суміші О2/N2; 2 – Т=1000С в суміші O2+1.5%C2HCl3; 3 – 950С в суміші О2/N2, 4 – Т=850С в сухому О2; 5 – Т=800С в сухому О2; б) ті ж залежності (крім Т=800, 850С) в більш широкому інтервалі товщин SiО2.

Рис. 2. Схематичне зображення областей структурних змін в системі Si-SiO2 згідно літературних даних і за нашими даними розподілу потенціалу в плівці SiО2.

Відомо, що при температурі 950°С і вище релаксація пружніх напружень відбувається з самого початку з допомогою в‘язкого розтікання, це і обумовлює саме такий розподіл потенціалу (заряду). При температурі окислення нижче
950°С максимальні напруження в окисній плівці зростають до певної її товщини (~6-7 нм), а потім, досягнувши критичного значення, напруження в структурі релаксують. При цьому механізм в‘язкого розтікання майже не впливає на релаксацію пружніх напружень, Що і відображає розподіл заряду в плівці SiО2 отриманій при 800°С.

Дуже суттєво нахил кривих Vоt=f(dox) залежить від режиму охолодження після відпалу при температурі отримання плівки SiO2 (Т=800°С в аргоні), більш швидкому охолодженню відповідає більший заряд в окислі (рис. 2, криві 3, 4). Не відмічено суттєвої різниці в розподілі потенціалу отриманого в плівці двоокису кремнію пошаровим травленням і в результаті поступового нарощування плівки SiO2 (рис. 3, криві 1 і 2, відповідно).

Рис. 3. Розподіл потенціалу в плівці SiО2 вирощеній при Т=800°С в сухому О2 на кремнії n-Si <111> з концентрацією домішок в підкладці 1х1015 см-3: 1 –O – вихідні значення потенціалу в плівці SiО2 після окислення без відпалу отримані в результаті пошарового травлення на одній пластині; 2 – · – вихідні значення потенціалу в плівці SiО2 після окислення без відпалу отримані в результаті вимірів на окремих пластинах; 3 – D – вихідні значення потенціалу в плівці SiО2 після окислення з відпалом і поступовим остиванням отримані в результаті пошарового травлення на одній пластині; 4 – * – вихідні значення потенціалу в плівці SiО2 після окислення з відпалом при тій же температурі і швидким остиванням отримані в результаті пошарового травлення на одній пластині.

Відмічено, що з часом величина заряду в плівці SiO2 суттєво зменшується порівняно зі значенням заряду після окислення (рис. 1а, крива 5 та рис. 3, крива 1, відповідно). Однак відпали при температурі отримання плівки двоокису кремнію знову збільшують величину заряду в структурі окисла до його значення після окислення.

У третьому розділі представлені. експериментальні результати по кінетиці окислення, проведено їх аналіз і порівння з літературними даними. Відзначено загальні риси та розбіжності. Проведено порівняльний аналіз причин, які можуть впливати на швідкість росту плівки окисла на початковому етапі. Показано, що характер залежності швидкості росту окисної плівки від її товщині в значній мірі може бути зумовлений розподілом заряду в плівці SiO2. Запропоновано математичну модель впливу заряду в плівці двоокису кремнію на кінетику окислення кремнію. Модель передбачає введення додаткової складової, яка враховує впливи заряду в окислі на параболiчну констатну окислення В. За вихідний взято вираз з моделі Діла-Грува [1], вплив поля в окислі може оцінюватись через параметри В та А, в які входить коефіцієнт дифузії. Вигляд виразу загальної швидкості окислення в нашому випадку має вигляд

(1)

де

(2)

(3)

або по-іншому вираз (3) має вигляд

(4)

Перший член в (1)- це складова Діла-Грува, а другий член в (1) ми вводимо для характеристики впливу електричного поля в окислі на перенос оксиданта в ньому.

; ; ;

де і лінійна і параболічна постійні відповідно є макропараметрами, що характеризують кінетику окислення кремнію; С*- рівноважна концентрація розчинності; N- кількість молекул оксиданта, яка вводиться в одиницю об’єму окисла в процесі росту. Часто в моделі Діла-Грува використовують наступні експериментально визначені значення макропараметрів: , С1=1,29109 А/хв., Е1=1,23 еВ; , С2=1,04109 А/хв., Е2=1,9 еВ.

Оскільки в відношення В/А коефіцієнт дифузії не входить, то ми можемо записати рівняння (3.1) в вигляді

(5)

де параболічна константа .

Розрахунки згідно (5) та експериментальні результати кінетики окислення представлені на рис.4. Видно добру узгодженість між даними розрахованими згідно нашої моделі та експериментальними для температур окислення і 900°С.

Рис. 4. Кінетичні залежності росту плівки SiO2 для різних температур окислення.

1 – 800°С: – дані з [159], –

наші експерименталь-ні дані,

– модель;

2 – 850°С: –

дані з [159],

– наші експериментальні дані, –

модель;

3- 900°С: – дані з [159], –

наші експериментальні дані, –

модель;

4- 950°С: – дані з [159], – модель;

5-1000°С: – дані з [159], – модель.

У четвертому розділі наводяться результати дослідження впливу заряду та ряду технологічних параметрів формування МОН структури з тонким і надтонким діелектриком (концентрація домішок у підкладці, товщина діелектрика, відпал у різних середовищах після нанесення металізації) на параметри струмопереносу через плівки SiО2.

Експериментально показано вплив заряду в плівці двоокису кремнію на характеристики струмопереносу в них, що проявляється в зміщені однієї характеристики відносно іншої (рис. 5), а також на величину бар’єру (рис. 6).

Встановлено нерівномірний розподіл потенціалу і заряду в SiO2 двома незалежними методами, а саме: пошарового травлення плівки двоокису кремнію з вимірами вольт-фарадних характеристик (другий розділ) та на основі підгонки ВАХ процесу тунелювання (рис. 7).

Вплив концентрації в підкладці на процес переносу струму в режимі прямого тунелювання (рис. 5, криві 1, 2) може бути обумовлений зарядом (пастками), що вбудовується (утворюються) в діелектрику в процесі окислення. Величина і розподіл цього заряду залежить від концентрації і типу домішок в підкладці.

Рис. 5. Характеристики Фаулера-Нордгейма МОН (Al/SiO2/n-Si(100)) структури з різним рівнем легування подкладки та без врахуванням заряду в окислі (а) і з врахуванням заряду в окислі (б) при інжекції з подкладки. Nd=2Ч1014 cм-3: 1 – dOX=4,4 нм, 3 – dOX=6,2 нм, 6-8,5 нм; Nd=9,2Ч1014 cм-3: 2 – dOX=4,4 нм, 4 – dOX=6,2 нм; в) Nd=1,45Ч1020 cм-3: 5 – 8,1 нм; 7 – теоретична крива.

Відпали в парах води та водні по-різному впливають на процес струмопереносу в режимі прямого тунелювання, цей вплив залежить від типу підкладки на якій отримано окисну плівку. Наприклад, окисна плівка, яка отримана на підкладці n-Si краще пасивується після відпалу у водні, а плівка SiO2 отримана на р- Si краще пасивується в парах води (рис. 8).

Рис. 6. Вплив товщини окисної плівки та концентрації домішок у підкладці на величину бар’єра на границі окисел-кремній без врахування заряду заряду в окислі (криві 1, 3, та символ – 6), та з урахуванням (вилученням) заряду в окислі (криві 2, 4 та символ – 5). (1, 2) – Nd=2Ч1014 cм-3; (3, 4) – Nd=9,2Ч1014cм-3; (точки 5, 6) – Nd=1,45Ч1020cм-3.

Рис. 7. Залежність потенціалу підгонки від товщини окисної плівки для різних концентрацій у підкладці (n-Si(100)/SiО2/Al): (крива 1) – Nd=2Ч1014 cм-3; (крива 2) –Nd=9,2Ч1014 cм-3; (точка 3-) – Nd=1,45x1020 cм-3.

Рис. 8. Вплив відпалів на ВАХ SiO2.

а) при інжекції із затвора (p-Si-SiO2-Al), dOX=4 нм:

(1) – без відпалу; (2) – відпал в Н2; (3) – відпал в Н2О;

б) при інжекції з підкладки (n-Si-SiO2-Al):

(1) – теоретична крива; dOX=3,85 нм: (2) – відпал в Н2О; (4) – відпал в Н2; dOX=4,8 нм: (3) – відпал в Н2О, (5) – відпал в Н2.

Отримані значення енергетичних рівнів пасток в SiO2 із залежностей, які характеризують тунелювання електронів за допомогою пасток в плівці SiO2: Et~2,25 еВ в окислі без відпалу, Et~2,15 еВ в окислі після відпалу в водні. Висота ефективного бар’єра на границі окисел-кремній в режимі прямого тунелювання з підкладки після відпалу в парах води ~2,55 еВ (відлік від зони провідності SiO2).

У п’ятому розділі наведені результати досліджень впливу гамма опромінення на виникнення заряду в МОН-структурі. Послідовно розглядається вплив гамма опромінення на електрофізичні параметри n- та p-канальних МОН транзисторів з точки зору їх зміни за рахунок заряду, який вбудовується в таких структурах. Порівнюючи та аналізуючи зміну параметрів в обох типах транзисторів розглянуто механізм впливу гамма опромінення на виникненя заряду в МОН-структурі виготовленій по технології Ікремній-на-діелектрикуІ в залежності від товщини діелектрика та рівня легування підкладки. Зокрема, досліджено вплив доз опромінення в інтервалі 104 – 106 Рад на зарядовий стан діелектрика в МДН-структурі виготовленій по 0,5 мкм SOI-технології. Виявлено, що крім вбудовування позитивного заряду, при певних умовах (доза гамма-опромінення 104-105 Рад, рівень легування підкладки бором більше 1017см-3) в діелектрику вбудовується і негативний заряд, на що вказує підвищення порогової напруги (рис. 9а, крива 2) та збільшення крутизни транзистора (рис. 9б, крива 2). Величина негативного заряду може бути більша ніж позитивного.

Рис. 9. Залежність порогової напруги (а) і зміни крутизни (б) від довжини каналу для n- канального МОНТ з DB=3,2Ч1012 cм-2: 1 – вихідна; 2 – після 105 Рад опромінення; 3 – після відпалу при T=315°C; 4 – після відпалу при T=315°C + T=415°C.

Показано, що гама-опромінення дозами 104-105 Рад та послідуючі відпали в аргоні при ТЈ415°С приводять до покращення параметрів n-канального МОН транзистора (рис. 10) (крутизна, рухливість електронів в каналі) та майже не впливає на параметри р-канального МОН транзистаeра. Це факт вказує на те, що при певних технологічних умовах виготовлення транзисторів з конкретними конструктивно-технологічними параметрами (товщина підзатворного діелектрика, рівень легування і тип домішок в каналі, в даному випадку бор) відбувається структурне упорядкування раніше порушеної системи окисел-кремній гама опроміненням малими дозами та відпалом. Покращення параметрів відбувається за рахунок вбудовування меншої величини позитивного заряду та появи негативного заряду.

Встановлено, що величина концентрації бору в діелектрику видіграє дуже важливу роль в стійкості МОН структури до дії гама опромінення. З одного боку бор зменшуює величину позитивного заряду, що утворюється в результаті опромінення в дієлектрикр3; а з іншого, він є причиною утворення від’ємного заряду на границі та в приграничній області.

Показано, що в результаті гама-опромінення деградація елктрофізичних параметрів p-канальних МОН транзисторів суттєво менша, ніж повинна бути після дози 106 Рад. Причиною меньшої деградації параметрів р-канального транзистора після такої дози опромінення є той факт, що частина позитивного заряду, який утворюється в діелектрику, компенсується значним захопленням від’ємного заряду в приграничній області та на границі за рахунок тунелювання електронів з підкладки під час опромінення.

Рис. 10. Залежність рухливості електрона від довжини каналу для дози бора в каналі DB=3,2Ч1012 cм-2; а) – після опромінення D=105 Рад, б) після опромінення D=106 Рад, (1) – вихідна; (2) – після опромінення; (3) – після опромінення і відпалу при T=315°C; (4) – після опромінення і відпалу при T=315°C + T=415°C.

Запропонована модель механізмів виникнення позитивного заряду в структурах n- та р-канальних МОНТ під дією g-опромінення з врахуванням структурної неоднорідності пліки SiO2, яка включає:

а) на границі Si-SiO2 позитивний заряд виникає переважено за рахунок захоплення дірки на звисаючі кремнієві зв'язки трьох координованого кремнію (SiєSi+).

б) в приграничній області позитивний заряд пов’язаний з захоплення дірки на трьохвалентний кремнієвий дефект зв'язаний з вакансією кисню в структурі двоокису кремнію O3єSi· +SiєO3;

в) в об’ємі позитивний заряд вбудовується переважно за рахунок розриву Si-O зв'язків і захоплення на звисаючий кремнієвий зв'язок дірки (єS-O· +Siє).

Запропонована модель механізмів утворення негативного заряду в структурах n- та р-МОН транзисторів під дією g-опромінення з врахуванням структурної неоднорідності пліки SiO2, яка включає:

а) на/біля границі негативний заряд виникає в результаті опромінення при близькому розташуванні 3-х координованого кремнію (кремнієвого Е’-центра) та 3-х координованого бору (ВО3) і захваті електрона на висячу sp3 орбіталь бора;

б) в приграничній області поява негативного заряду зумовлена захватом електрона 3-х координованим бором.

ВИСНОВКИ

В дисертації дослідженена задача встановлення механізмів формування заряду в процесі окислення кремнію і гама-опромінення, його розподілу в тонких і надтонких плівках двоокису кремнію та визначення впливу вбудованого заряду на процеси тунельного струмопереносу. Були отримані наступні основні результати.

1. Вперше експериментально отримано розподіл потенціалу, що утворюється в процесі окислення, в плівках SiО2 різної товщини та отриманих при різних температурах (Т=800°С, 850°С, 950°С, 1000°С, 1100°С). Виявлена однакова закономірність товщинного розподілу потенціалу в плівках SiО2 вирощених при Ті950°С. Розподіл потенціалу в плівках отриманих при Т=800°С суттєво відрізняється в межах товщин окисла ~0-9 нм. Величина і розподіл заряду визначаються температурною окислення і зміною структури плівок в процесі окислення.

2. Запропоновано механізм утворення і розподілу позитивного заряду в об’ємі SiО2. Показано, що позитивний заряд, який виникає на/при границі Si-SiО2 в процесі росту плівки двоокису кремнію, перерозподіляється по товщині плівки в процесі її росту за рахунок структурних перетворень в результаті релаксації напружень. Причиною виникнення від’ємного заряду може бути тунелювання електронів з підкладки та ймовірний захват їх на звисаючі зв’язки атомів кисню та/або кремнію.

3. Встановлено механізм впливу потенціалу (заряду) в SiO2 на кінетику окислення кремнію. Показано, що характер зміни величини напруженості електричного поля в окислі прискорює або зменшує дифузію кисню до границі Si-SiО2 і, таким чином, впливає на швидкість росту плівки. Запропоновано модель, що враховує вплив потенціалу (заряду) на кінетику окислення. Спостерігається добра узгодженість експериментальних та розрахованих даних, особливо для плівок, отриманих при Ті900°С.

4. Показано, що достатньо високі дози домішок в SiO2 (бор ~5Ч1019 см-3, миш’як ~5Ч1019 см-3) сприяють утворенню або пасток, що захоплюють заряд, або ж від’ємного заряду, який і приводить до зниження ефективної висоти бар’єрів Al-SiO2 та Si-SiO2, таким чином впливаючи на процес протікання струму через надтонкі (4-9 нм) плівки SiO2.

5. Встановлено, що відпали в парах води та водні по-різному впливають на процес струмопереносу в режимі прямого тунелювання. Відпал в парах води більш ефективно пасивує глибокі пастки в SiO2 отриманому на р-Si, а відпал в водні в SiO2 вирощеному на n-Si. В результаті пасивації пасток зменшується густина тунельного струму через діелектрик. Цей факт може бути використаний при формуванні схем пам’яті для збільшення часу зберігання накопленого заряду.

6. Показано, що бор видіграє важливу роль в стійкості МОН структури до дії гама опромінення. По-перше, він зменшуює величину позитивного заряду, що утворюється в результаті опромінення в діелектрику; по-друге, він є причиною утворення від’ємного заряду на границі Si/SiO2 та в приграничній області, який сприяє підвищенню рухливості носіїв заряду в каналі транзистора.

Достовірність отриманих результатов забезпечувалась: проведенням дослідження з використанням добре апробованих методик; послідовним характером досліджень, аналізом і співставленням вивчених явищ і закономірностей з тими, які відомі в літературі і добре узгоджуються з теоретичними розрахунками; апробацією результатів дисертаціїї на спеціалізованих міжнародних та вітчизняних конференціях; публікацією основних результатів роботи в накових фахових вітчизняних та міжнародних журналах.

Список цитованої літератури

1. Deal B.E., and Grove A.S. General relationship for thermal охidation silicon // J. Appl. Phys. – 1965. – V. 36, № 2. – P. 3770-3778.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Lisovskii I.P., Kizjak A.Yu, Pedchenko Yu.N. Electrical and structural properties of ultrathin dielectric films of SiO2 // Ukr. Phys. J. – 1998. –V. 43. – № . – P. 607-613.

2. Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Kizjak A.Yu, Fedin D.V. Fowler-Nordheim tunneling in structures with ultrathin dielectrics // Ukr. Phys. J. – 2001. – V. 46, № . – P. 985-990.

3. Evtukh A., Kizjak A., Litovchenko V.G., Claeys C., and Simoen E. Radiation Induced Transformation of Impurity Centers in the Gate Oxide of Short-Channel SOI MOSFETs // Solid Slate Phenomena. – 2005. – V.108-109, December. – P. 469-476.

4. Evtukh A.A., Lisovskii I.P., Litovchenko V.G., Kizjak A.Yu., Pedchenko Yu.N., Samotovka L.I. Study of the structure of ultrathin silicon dioxide films // Ukr. J. Phys. –2006. –V. 51, № 3. – P. 296-304.

5. Evtukh A., Kizjak A, Litovchenko V., Claeys C. and Simoen E. Radiation characteristics of short P-channel MOSFETS on SOI substrates //“Science and Technology of Semiconductor-On-Insulator Structures and Devices Operating in a Harsh Environment”, Kluwer Academic Publishers. – 2005. – P. 221-226.

6. Claeys C., Simoen E., Litovchenko V.G., Evtukh A., Efremov A., Kizjak A., Rassamakin Ju. Influence of g-irradiation on shot channel SOI-MOSFETs with thin SiO2 films // Proc. “Progress in semiconductor-on-insulator structures and devices operating at extreme conditions”. – 2002. – P. 211-220.

7. Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Kizjak A.Yu. Investigation of the tunneling current through thin dielectrics // Proc. Int. Non Volatile Memory Technol. Conf. –Albuquerque (USA). – 1998. – P. 111-114.

8. Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Kizjak A.Yu, Pedchenko Yu.N. Kinetics of ultrathin SiO2 films growth in oxygen // Abstract E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, France. – 1998. – C.N-10.

9. Litovchenko V.G., Evtukh A., Kizjak A., Efremov A.A., Claeys C., Simeon E. Influence of g–irradiation on short channel SOI MOSFETs with thin gate oxide // Abstract. NATO Advanced Research Workshop “Progress in semiconductor-on-insulator structures and devices operating at extreme conditions” (Kyiv, Ukraine, October 15-20, 2000). – 2000. – P. 43.

10. Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Efremov A.A., Lisovskii I.P., Kizjak A.Yu. Formation of the ultrathin oxides on silicon with the enhanced stability // Abstract E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, France. – 2001. – P.N-6.

11. Claeys C., Simoen E., Efremov A., Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Kizjak A.Yu, Rassamakin Yu.V. g-irradiation hardness of shot channel NMOSFETs in a 0.5 mm SOI technology //Abstract E-MRS 2001 Spring Meeting. – Strasbourg (France). – 2001. – P.B-19.

12. Евтух А.А., Кизяк А.Ю., Сидоренко В.П., Педченко Ю.Н., Глотов В.И. Некоторые особенности распределения заряда в пленках SiO2 (0-500А) // Пятая международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии”, Одесса – 17-21 мая 2004 г. (тезисы).

13. Євтух А.А., Лісовський І.П., Литовченко В.Г., Кизяк А.Ю., Педченко Ю.М. Дослідження структури надтонких плівок двоокису кремнію // II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-2, Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня 2004 (тези).

14. Evtukh A., Kizjak A., Litovchenko V., Claeys C., Simoen E.Radiation characteristics of the short-channel MOSFETs on SOI structures // Abst. NATO Adv. Research Workshop “Science and technology of semiconductor-on-insulator structures and devices operating in a harsh environment” (Kiev, Ukraine, April 25-29, 2004). – 2004. – P. 64.

15. Evtukh A., Kizjak A., Litovchenko V.G., Claeys C., and Simoen E. The formation of negative charge in structures of n- and p-channel MOSFETs as a result of g-irradiation //NATO Advanced Research Workshop “Nanoscaled Semiconductor-on-Insulator Structures and Devices”. Sudak, Cremia, Ukraine. – 2006. – 15-19 October. (Thesis).

АНОТАЦІЯ

Кизяк А.Ю. Процеси тунелювання і вбудови заряду в тонких і надтонких плівках SiO2. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідниківшм. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2007.

Отримані експериментальні дані розподілу потенциалу (заряду) по товщині плівки для SiО2 вирощених при різних температурах. Запропонований механізм формування заряду в процесі окислення кремнію і гама-опромінення. Розглянуто вплив вбудованого заряду на процеси кінетики окислення та тунельного струмопереносу.

Ключові слова: кремній, двоокис кремнію, гама –опромінення, тунельна інжекція, заряд в SiО2.

АННОТАЦИЯ

Кизяк А. Ю. Процессы туннелювания и встраивания заряда в тонких и сверхтонких пленках SiО2. – Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2007.

В диссертационной работе экспериментально получено детальное распределение потенциала по толщине в пленках SiО2 выращенных при разных температурах (800°С, 850°С, 950°С, 1000°С, 1100°С) на Si(111). Показано, что распределение потенциала в окисле существенно отличается для пленок, полученных при относительно низких Т<950°С и высоких Ті950°С температурах; проанализированы механизмы ответственные за эти отличия. Показано, что немонотонное распределение потенциала, а значит и заряда, по толщине окисной пленки обусловлено структурными преобразованиями в результате релаксации механических напряжений в процессе роста SiО2. Предложен механизм перераспределения положительного заряда в окисле в процессе окисления. Выявлен встроенный эффективный отрицательный заряд на/возле границы Si/SiО2 в пленке SiО2 (15 нм) на кремнии легированном бором до концентрации ~5Ч1017 см-3, после действия гаммы-облучения. Предложен механизм возникновения заряда: это захват электрона на свободное состояние в атоме бора. Установлено, что повышение концентрации примеси бора в пленке SiО2 приводит к уменьшению величины встраиваемого положительного заряда в пленке двоокиси кремния после гамма облучения. Показано существенное влияние заряда в сверхтонких пленках SiО2 (3-9 нм) на процесс тунелюванняи и выявлено, что при инжекции из подкладки ток через пленку двуокиси кремния меньше 5 нм определяется преимущественно прямым тунелюванням носителей тока из подкладки в затвор, а при инжекции