6 Особенности технологии мдп структур

Основное отличие реального диэлектрика от идеального заключается в том, что пленка диэлектрика имеет структурные дефекты, которые неравномерно распределены по ее толщине. Из-за различия структурной матрицы диэлектрика и Si на границе их раздела имеются дефекты, которые дают уровни в запрещенной зоне Si – поверхностные состояния (interface states). Ионизация дефектов, находящихся на границах раздела и в глубине диэлектрика, может приводить к изменению поверхностного потенциала ψ_s, и, соответственно, электрических свойств МДП-структур и приборов, изготовленных на их основе. На рис. 6.1 схематически изображена микроструктура SiO₂ вблизи границы с Si. На схеме показаны отдельные дефекты, электрическая активность которых может оказывать влияние на характеристики МДП-структуры.

Q_ss – заряд поверхностных состояний (surface state), который концентрируется вблизи границы раздела Si-SiO₂. Поскольку максимум этих состояния располагаются вблизи краев запрещенной зоны, время их перезарядки может быть весьма малым (рис. 6.2).

Рис. 6.1

Рис. 6.2

Q_f – заряд фиксированный вблизи поверхности (обмен зарядами этого типа не может происходить так же быстро, как для Q_ss).

Q_t – заряд, захваченный ловушками в окисле.

Q_m – заряд подвижных ионов, который возникает в результате присутствия в диэлектрике посторонних ионов, например Na⁺.

Величину всех этих зарядов обычно относят к единице площади границы раздела, т.е. измеряют в единицах Кл∙см^-2. Вместо зарядов часто используют соответствующие поверхностные плотности, которые обозначают символом N_i с теми же индексами (N_i =Q_i/q – число зарядов на 1 см²). Поскольку энергетические уровни состояний, захватывающих поверхностный заряд Q_ss, непрерывно распределены в запрещенной зоне полупроводника, полезной характеристикой является энергетическая плотность поверхностных состояний

(6.1)

Измеряется в [число зарядов/см²∙эВ].

Фиксированный заряд в окисле Q_f (обычно положительный) экранирует электрическое поле затвора.

6.1 Влияние режимов окисления и термообработок на свойства мдп структур на основе кремния

Наиболее важными параметрами, позволяющими оценивать возможность использования диэлектрических пленок для изготовления МДП структур, являются приведенный поверхностный заряд на границе раздела полупроводник – диэлектрик Q_s (или во многом эквивалентная ему величина поверхностного потенциала у полупроводника), скорость поверхностной рекомбинации и стабильность этих параметров.

На рис. 6.3 (кривая 1) приведена зависимость Q_s от температуры, при которой проводится окисление кремния в атмосфере сухого кислорода. Эта зависимость имеет явно выраженный минимум Q_s при температуре около 1200^оС.

Рис. 6.3. Локальное окисление кремния

Абсолютная величина Q_s зависит от толщины пленки, скорости окисления и ориентации пластин кремния. Приведенные на рис. 6.3 данные относятся к пленкам толщиной около 0.3 мкм, выращенным на плоскости (111) при атмосферном давлении кислорода. Для этих условий минимум Qs равен приблизительно 10¹¹ см^-2. При тех же условиях окисления на плоскости (100) получается Q_s min порядка 10¹⁰ см^-2.

Уменьшением толщины пленки или снижением скорости окисления за счет использования более низких парциальных давлений кислорода, например, окислением в смеси кислорода и азота, могут быть получены еще меньшие (хотя и незначительно) величины Q_s. Поверхностный заряд во всех этих случаях получается положительным. При окислении в этих условиях достигается и минимальная величина скорости поверхностной рекомбинации порядка 10 см/с, которую трудно зафиксировать существующими методами измерений.

Существенным моментом является скорость охлаждения пластин. Приведенные выше данные получены при временах охлаждения приблизительно до 600 ^оС, составлявших несколько секунд. Ясно, что если процесс окисления будет столь медленным, что во время охлаждения процесс окисления будет идти с заметной скоростью, то Q_s будут соответствовать более низким температурам.

Величиной Q_s можно управлять, проводя термообработки в различных атмосферах. Эффективное снижение Qs достигается обработками в атмосфере азота, вакуума или иного нейтрального газа, например, аргона при температурах менее 1200^оС. При этом оказывается возможным снижение Qs до практически минимальной величины независимо от температуры обработки (см. рис. 6.3, кривая 2). Длительность таких обработок должна быть такой, чтобы окисление при той же температуре увеличивало толщину слоя оксида на несколько периодов решетки. Последующие аналогичные термообработки в атмосфере кислорода при температуре менее 1200^оС восстанавливают Q_s до величины, соответствующей температуре окисления. Существенно, что термообработки структур, полученных окислением при температурах выше 1200^оС, не оказывают влияния на величину поверхностного заряда.

Эффективное снижение Qs и даже инверсия его знака обеспечиваются обработками в атмосфере водорода. Они могут проводиться при относительно низких температурах. Например, при 600^оС предельная величина заряда достигается приблизительно за 30 мин. Главный недостаток таких обработок заключается в том, что получающаяся величина Q_s недостаточно стабильна.

Пленки SiO₂, сформированные другими методами, заметно уступают полученным термическим окислением в сухом кислороде. В частности, полученные методом химических реакций в газовой фазе, они имеют худшую стабильность, а у структур, в которых пленка SiO₂ получена анодированием, величина приведенного поверхностного заряда превышает 10¹³ см^-2, что полностью исключает возможность их использования в МДП структурах.