Параметры диэлектрических слоев

К основным параметрам пленок можно отнести: плотность, коэффициент преломления, удельное сопротивление, диэлектрическую постоянную, диэлектрическую прочность, скорость травления, плотность дефектов, толщину и заряд в структуре кремний - диэлектрик.

Однако, как правило, первые семь параметров обычно не контролируются в процессе промышленного производства полупроводниковых приборов и интегральных схем, хотя их величины учитываются при расчете и конструировании микросхемы. Поэтому остановимся на методах контроля толщины диэлектрических пленок, а также заряда и свойств границы раздела полупроводник - диэлектрик.

Контроль толщины слоя диэлектрика

Метод измерения выбирается в зависимости от того, в каком диапазоне толщин находится исследуемая диэлектрическая пленка и с какой точностью необходимо измерить ее толщину.

Наиболее прост метод цветовых оттенков Ньютона, основанный на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, возникновение которых обусловлено двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку и отражающегося от непрозрачной подложки. Цветность пленок зависит только от их толщины и показателя преломления

 = 2nxsin,

где - разность хода лучей; n - показатель преломления пленки;- угол отражения; x - толщина пленки.

Если отраженный свет наблюдать под прямым углом к поверхности пленки, то

 = 2nx.

Зная показатель преломления материала, по цвету пленки легко определить ее толщину. Однако для SiO₂ цветовые оттенки повторяются примерно через каждые 0,22 мкм, проходя весь спектр. Поэтому для однозначного определения толщины необходимо знать порядок интерференции, т.е. какое по счету повторение цветов наблюдается. Для определения порядка интерференции на окисленную пластину осторожно наносят каплю плавиковой кислоты. В окисле вытравливается лунка до поверхности кремния. По периферии лунки наблюдается ряд колец. Количество темных красно-фиолетовых колец и определяет порядок интерференции. Например, зеленый цвет окисла в четвертом порядке соответствует толщине 0,72 мкм, а во втором порядке - толщине 0,33 мкм. Этот простой, не требующий оборудования метод позволяет измерить толщину окисла с погрешностью (5 – 10) %. Диапазон измеряемых этим методом толщин составляет 0,05 - 1,5 мкм.

Для определения толщины тонких диэлектрических пленок (x < 50 нм) или измерения толщин с большей точностью используется эллипсометрический метод. Он основан на отражении линейно-поляризованного луча (обычно поляризованного под углом 45° к плоскости падения) от поверхности кремния, покрытой пленкой диэлектрика. Компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить свойства пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации волны.

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 - SiO₂и 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 N_ssизмеряется 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 N_ssзависит от кристаллографической ориентации полупроводника, состава атмосферы. (При окислении во влажном кислороде концентрации N_ssневелики - до 10¹⁰ см^–2,тогда как при окислении в сухом кислороде они могут достигать 10¹² см^–2.)

2. Неподвижный (фиксированный) заряд в окисле Q_soлокализуется 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 Q_soобъясняется наличием избыточных ионов кремния в SiO₂и 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 Q_i(Кл/см²) изменяется при наличии значительного поперечного поля, совмещенного с термическими воздействиями в диапазоне умеренных температур (примерно 100 - 300 °С).

Медленнорелаксирующий заряд Q_i 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 SiO₂при 100 °С и напряженности электрического поля около 510⁵В/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:

Q_s= Q_so+ Q_ss+ Q_i.

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 - металлический электрод, разделенные тонким слоем изолирующего материала x 0,1 - 0,2 мкм (рис.2.5).

В МДП-структуре при отсутствии смещения поверхностный потенциал может отличаться от нуля. Причиной этого являются заряд на границе раздела полупроводник-диэлектрик, заряд в объеме диэлект-рика Q_s и контактная разность потен-циалов металл - полупроводник φ_Мs, приводящие в общем случае к изменению формы C(U) характеристики и смещению ее вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений по сравнению с теоретической C(U) характеристикой идеального МДП-конденсатора.

Рис.2.5. Структура металл - диэлектрик - полупроводник: 1 - металл;2 - изолятор; 3 - полупроводник; 4 - контакт к подложке

Фиксированный заряд Q_soвызывает параллельное смещение C(U) характеристики относительно теоретической вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений.

Кроме фиксированного заряда, подобное смещение C(U) характеристики вызывает контактная разность потенциалов металл - полупроводник.

Сопоставляя экспериментальную и теоретическую C(U) характеристики (рис.2.6), определяется смещение одной относительно другой вдоль оси напряжения U_FBна уровне C_FB (значение емкости идеальной C(U) характеристики при U = 0). Суммарный заряд в диэлектрике и на границе раздела находится из соотношения

Смещение U_FBполучило название "напряжение плоских зон" (flat band).

Медленнорелаксирующий заряд также приводит к параллельному смещению C(U) характеристик в сторону отрицательных значений напряжений.

Рис.2.7. 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

Рис.2.6. Изменение вольт-фарадной характеристики МДП-структуры под действием фиксированного заряда:

1 - идеальная характеристика,

2 - реальная

При комнатной температуре и в отсутствие внешнего напряжения действия зарядов Q_iи Q_soидентичны. После выдержки МДП-структуры при повышенной температуре (100 – 300 °С) под напряжением наблюдается заметное изменение C(U) характеристики, которая смещается по оси напряжений в ту или иную сторону в зависимости от знака напряжения (рис.2.7). Исходная вольт-фарадная характеристика (кривая 1) переходит в кривую 2 после того, как структура Si - SiO₂нагревалась 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 Q_iоценивается по величине сдвигаU_FBвольт-фарадной характеристики после термополевой обработки.