- •2. Диэлектрические пленки на кремнии
- •2.1. Термическое окисление кремния
- •Окисление кремния при комнатной температуре
- •Физический механизм роста окисла при высокой температуре
- •Структура окисла кремния
- •Модель Дила - Гроува
- •Кинетика роста окисла кремния
- •Влияние температуры окисления
- •Влияние парциального давления окислителя
- •Влияние ориентации подложки
- •Влияние типа и концентрации примеси в подложке
- •Оборудование для окисления кремния
- •2.2. Методы контроля параметров диэлектрических слоев
- •Контроль толщины слоя диэлектрика
- •Контроль дефектности пленок
- •Метод электролиза воды
- •Электрографический метод
- •Метод электронной микроскопии
- •Метод короткого замыкания
- •2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик
- •2.4. Осаждение диэлектрических пленок
- •Осаждение пленок диоксида кремния
- •Осаждение нитрида кремния
- •Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок
Метод короткого замыкания
В данном методе применяется электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик. Один из электродов присоединяется к кремниевой пластине, а другой - либо к капле электролита (раствор KCl), либо к алюминиевому пятну на поверхности диэлектрической пленки. Степень сплошности пленки оценивается по величине напряжения, при котором в цепи появляется ток, или по напряжению пробоя. В случае абсолютной сплошности пленки ток в цепи отсутствует до момента резкого пробоя при напряжении Uпр = Eкрx. При наличии несквозных каналов напряжение пробоя снижается. Если в пленке имеются сквозные каналы проводимости, то ток в цепи возникает при малых напряжениях и увеличивается пропорционально приложенному напряжению и площади дефектов.
Недостатки метода связаны с тем, что без специальной калибровки другими методами нельзя определить количество дефектов и установить точное их местоположение, полезной является информация о наличии несквозных дефектов.
2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик
Структурно поверхность полупроводника состоит из атомов с частично оборванными связями. Эти связи ненасыщенные, что эквивалентно энергетическим состояниям, уровни которых лежат внутри запрещенной зоны и являются акцепторными независимо от типа электропроводности объема монокристалла. Наряду с акцепторными в полупроводнике могут образовываться дополнительные поверхностные состояния в результате адсорбции атомов чужеродных жидких или газообразных веществ. В зависимости от свойств адсорбированных атомов возникающие в запрещенной зоне энергетические уровни могут быть как донорными, так и акцепторными.
Поверхность кремния после любой очистки или непродолжительного соприкосновения с воздухом покрывается пленкой окисла, которая усложняет картину энергетических уровней. Возникают уровни, зависящие от структуры окисного слоя и характера окружающей газовой среды. Все эти уровни получили название поверхностных состояний полупроводника. Плотность поверхностных состояний имеет величину 1012 - 1013 см–2, а при использовании оптимальных режимов термического окисления ее удается снизить до величины приблизительно 1010 см–2. При термическом окислении кремния наблюдается появление положительных зарядов на границе раздела Si - SiO2 и в объеме диэлектрика.
На основании экспериментальных данных принята следующая классификация состояний и зарядов на границе раздела Si - SiO2.
1. Поверхностные состояния определяются как энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, способные обмениваться зарядом с объемом полупроводника в течение короткого времени. Их плотность Nss измеряется количеством состояний на квадратный сантиметр на единичном энергетическом интервале (см–2эВ–1).
Причинами возникновения поверхностных состояний в присутствии диэлектрика, как и на неокисленной поверхности полупроводника, могут быть: свободные связи поверхностных атомов и другие дефекты поверхности полупроводника; примесные атомы, адсорбированные поверхностью в процессе окисления и последующих обработок образца.
Плотность поверхностных состояний Nss зависит от кристаллографической ориентации полупроводника, состава атмосферы. (При окислении во влажном кислороде концентрации Nss невелики - до 1010 см–2, тогда как при окислении в сухом кислороде они могут достигать 1012 см–2.)
2. Неподвижный (фиксированный) заряд в окисле Qso локализуется вблизи поверхности полупроводника (около 20 нм) и не способен перемещаться под действием приложенного нормально поверхности полупроводника электрического поля, измеряется в кулонах на квадратный сантиметр (Кл/см2).
Физическая природа неподвижного заряда в окисле Qso объясняется наличием избыточных ионов кремния в SiO2 и является собственным свойством поверхности раздела Si - SiO2, т.е. не связан с посторонними ионными загрязнениями. Этот заряд присутствует только в термически выращенном окисле кремния. Он локализован в области, простирающейся не более чем на 20 нм от поверхности кремния.
3. Подвижный (медленнорелаксирующий) заряд Qi (Кл/см2) изменяется при наличии значительного поперечного поля, совмещенного с термическими воздействиями в диапазоне умеренных температур (примерно 100 - 300 °С).
Медленнорелаксирующий заряд Qi связан с различного рода загрязнениями и дефектами диэлектрика. Считается, что он распределен по всей толщине диэлектрика, поэтому его иногда называют объемным зарядом в диэлектрике. Одной из основных причин возникновения этого заряда является присутствие в окисле примесей щелочных металлов, в особенности натрия. Действительно, натрий - широко рассеянная в окружающей среде примесь. Подвижность его положительных ионов в SiO2 при 100 °С и напряженности электрического поля около 5105 В/см столь высока, что они за несколько минут способны пройти весь слой окисла. Другой причиной появления медленнорелаксирующего заряда в окисле являются протоны H+.
Величина медленнорелаксирующего заряда зависит от влияния примесей металлов, органических загрязнений в диэлектрике, а также от метода получения диэлектрического слоя. Суммарный заряд на границе раздела кремний - термический окисел равен:
Qs = Qso + Qss + Qi.
4. Заряд на ловушках в диэлектрике Q+ возникает под действием ионизирующего излучения или большого по величине электронного тока, протекающего через диэлектрик (Кл/см2).
На границе кремния с диэлектриком, нанесенным на его поверхность, могут присутствовать три последние вида зарядов.
Основным методом контроля поверхностного заряда в системе полупроводник - диэлектрик является метод вольт-фарадных характеристик структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структур). Измерение вольт-фарадных характеристик до внешних воздействий на МДП-структуру и после них позволяет разделить различные виды зарядов в структуре и исследовать их стабильность.
МДП-структура
представляет собой конденсатор, одной
обкладкой которого является
полупроводниковая подложка, другой -
м
Рис.2.11.
Структура металл - диэлектрик -
полупроводник: 1 - металл;
2 - изолятор;
3 - полупроводник;
4 - контакт к подложке
В МДП-структуре при отсутст-вии смещения поверхностный потенциал может отличаться от нуля. Причиной этого являются заряд на границе раздела полупроводник - диэлектрик, заряд в объеме диэлект-рика Qs и контактная разность потен-циалов металл - полупроводник φМs, приводящие в общем случае к изменению формы C(U) характерис-тики и смещению ее вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений (так как заряд в диэлектрике положительный) по сравнению с теоретической C(U) характеристикой идеального МДП-конденсатора.
Фиксированный заряд Qso вызывает параллельное смещение C(U) характеристики относительно теоретической вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений.
К
Рис.2.12.
Изменение вольт-фарадной характеристики
МДП-структуры под действием фиксированного
заряда:
1 - идеальная
характеристика,
2 - реальная
Сопоставляя эксперименталь-ную и теоретическую C(U) характеристики (рис.2.12), определяется смещение одной относительно дру-гой вдоль оси напряжения UFB на уровне CFB (значение емкости идеальной C(U) характеристики при U = 0). Суммарный заряд в диэлект-рике и на границе раздела находится из соотношения
С
Рис.2.13. Влияние
медленнорелаксирующего заряда на
вольт-фарадную характеристику
МДП-структуры:
1 - исходная кривая; 2 -
термополевая обработка
(T = 125 °С; t = 30 мин)
при U = +10 В; 3 - термополевая обработка
при тех же условиях, но при
U = –10 В
Медленнорелаксирующий заряд также приводит к параллельному смещению C(U) характеристик в сто-рону отрицательных значений напряжений.
При комнатной температуре и в отсутствие внешнего напряжения действия зарядов Qi и Qso идентичны. После выдержки МДП-структуры при повышенной температуре (100 – 300 °С) под напряжением наблюдается заметное изменение C(U) харак-теристики, которая смещается по оси напряжений в ту или иную сторону в зависимости от знака напряжения (рис.2.13). Исходная вольт-фарадная характеристика (кривая 1) переходит в кривую 2 после того, как структура Si - SiO2 нагревалась при температуре 125 °С в течение 30 мин со смещением +10 В на металлическом электроде. Кривая 3 получена при той же термообработке, но при смещении –10 В (видно частичное восстановление вольт-фарадной кривой). Заряд Qi оценивается по величине сдвига UFB вольт-фарадной характеристики после термополевой обработки.