2.2.4.2 Геометрические и электрические характеристики nppbl изоляции
На рисунке 2.14 показаны микрофотографии поперечного сечения SEM структуры Sealed-NPPBL с и без нитрирования. Очевидно, локализованная нитрированная оксидная область является чрезвычайно эффективным способом снижения роста «птичьего клюва».
а – структура Sealed-NPPBL без нитрирования; б – структура Sealed-NPPBL с локальным нитрированием 14' NH3 в атмосфере при 1040 °С.
Рисунок 2.14 –– Микрофотография структуры Sealed-NPPBL
Однако, как будет отмечено позже, это приводит к увеличению тока утечки диода. В то время «птичий клюв» в неазотированной структуре Sealed-NPPBL имеет размер порядка 0,25 мкм, после нитрирования, маскировки стека, удаления поликремния и повторного травления оксидной области, эффективное боковое внедрение получается около 50 нм. В основном это связано с очень резким и хорошо определенным профилем оксида кремния.
Электрические характеристики структуры изоляции были исследованы путем измерения тока утечки в n+ -р плоскостных диодов для различных стадий процесса и сравнения его с PBL-изолированными диодами. Диоды с постоянной площадью 105 мкм2 и длиной периметра 1300 или 20200 мкм, были измерены в 42 устройствах на раскол. Во всех случаях, токи утечки были записаны в обратном смещении 5 V. Суммарное распределение токов утечки, измеренное на диодах, которые изготовлены обычным полибуферным процессом LOCOS (рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 –– Суммарное распределение тока утечки диодов, изготовленных с помощью изоляции PBL без нитрирования. Токи были измерены при 5 В в области диодов с малым периметром (пустые фигуры) и с большим периметром (закращенные фигуры)
На этом рисунке откладываются данные толщин для двух нитридов (150 и 200 нм) и двух поликремниев (50 и 75 нм). Не закрашенные фигуры представляют ток утечки диодов, имеющих площадь 105 мкм2 и периметр 1300 мкм, а сплошные фигуры представляют данные для интенсивных диодов, имеющих площадь 105 мкм2 и периметр 20200 мкм. Такое же соглашение было принято для всех данных, которые будут представлены в течение оставшейся части этого раздела. Поскольку площадь утечки не зависит от изменений в структуре изоляционной композиции, изменение утечки тока должно быть связано с клювом локального окисла. Наблюдаются две основные тенденции. Прежде всего, увеличение тока утечки наблюдается при уменьшении толщины буферного слоя поликристаллического кремния. Для 150 нм разделённого нитрида, среднее значение тока утечки увеличивается с 7,8 пА для 75 нм до 14 пА для 50 нм слоя ПКК под нитридом. Та же тенденция наблюдается и для диодов PBL с нитридной маской 200 нм: ток утечки возрастает с 12 пА до 19 пА, когда толщина поликремния изменена от 75 нм до 50 нм. Вторая тенденция связана с толщиной нитрида. Увеличение толщины нитрида при постоянной толщине поликремния, приводит к увеличению тока утечки. Для толщины поликристаллического кремния 50 нм, при изменении толщины нитрида от 150 нм до 200 нм, наблюдается увеличение тока утечки на 5 пА. Для более толстого полибуферного слоя, изменение тока утечки снижается до 4,2 пА. Эти результаты могут быть объяснены на основе того факта, что более толстые нитриды и более тонкие слои поликремния приводят к увеличению механических напряжений в структуре нитрид-ПКК-окисел-кремний. Аналогичный график Sealed-NPPBL структуры показан на рисунке 2.16.
Рисунок 2.16 –– Суммарное распределение тока утечки диодов, изготовленных с помощью Sealed-NPPBL изоляции без нитрирования. Токи были измерены при 5 В в области диодов с малым периметром (пустые фигуры) и с большим периметром (закращенные фигуры)
Опять же, наблюдается очень небольшая разница в токе утечки, измеренном на диодах. Однако, изменение тока утечки для периметров данных диодов уменьшается, по сравнению с PBL-диодами. Возможно, это связано с более широкими процессами, вызванными напряжениями в Sealed-NPPBL структуре и указывает на то, что в производительности изоляции преобладают агрессивные края LOCOS-структуры. В результате, параллельный PBL-стек является менее эффективным для уменьшения напряжения. Кроме того, стоит отметить, что средняя величина токов утечки для всех технологических операций, значительно увеличилась по сравнению с PBL-диодами.
SILO/RTN-методика локализованного нитрирования, приводит к увеличению тока утечки, измеренного на периметре диодов для всех технологических расколов. Результаты измерений тока утечки для различных расколов показаны на диаграмме 2.17.
Рисунок 2.17 –– Влияние нитрирования локальной SILO/RTN на ток утечки области (пустые фигуры) и периметра (закращенные фигуры) PBL и NPPBL изолированных диодов
Из этих результатов можно сделать следующие выводы. Более длительное время нитрирования приводит к ускоренной деградации тока утечки. Однако, для обычных диодов PBL и менее напряженной структуры Sealed-NPPBL (75 нм поли, 150 нм нитрида), деградация утечки тока не так выражена и получаются приемлемые значения. Увеличение толщины нитрида в структуре Sealed-NPPBL, вместе с увеличением времени нитрирования, приводит к резкому увеличению утечки по периметру диода. Было установлено, что увеличение толщины поликремния до 75 нм улучшает производительность тока утечки за короткий период нитрирования (7 минут). Зависимость тока утечки диодов от нитрирования, не наблюдается в Sealed-NPPBL структуре, с самым тонким слоем поликремния и толстым слоем нитрида (50 нм поли, 200 нм нитрида). Это самая агрессивная структура изоляции и герметизация интерфейса, приводит к образованию большого количества протяженных дефектов, распространяющихся в область площади диодов.
Нитрирование используется для герметизации области оксида/ кремния и, следовательно, уменьшения «птичьего клюва». При этом гораздо более резкий профиль оксидной области приводит к увеличению технологического напряжения и появлению протяженных дефектов. Была измерена величина, на которую уменьшился «птичий клюв» для PBL и Sealed-NPPBL структур, имеющих толщину поликремния 50 нм и толщину нитрида 150 нм. Для структуры PBL, уменьшение длины «птичьего клюва» на 0,1 мкм наблюдается после 14' нитрирования при 1040 °C. В случае закрытой структуры изоляции NPPBL, величина «птичьего клюва» снижается примерно на 0,25 мкм после 14' нитрирования. Большая разница в эффективности нитрирования между PBL и Sealed-NPPBL поясняет, почему токи утечки в диодах PBL не существенно изменяются для нитрированных образцов.
Как видно из этих результатов, в то время как нитрирование уменьшает боковое внедрение, параллельно увеличиваются токи утечки, особенно в очень агрессивных структурах изоляции. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для схемы изоляции Sealed-NPPBL, характерным является минимальный «птичий клюв» и низкие токи утечки, сопоставимые со стандартной PBL изоляцией диодов [19].