CC BY
8пленки с большой площадью поверхности формируются в очень узком температурном интервале (~6 °C) [1-3], в котором происходит переход от смешанных пленок, состоящих из аморфной и поликристаллической фазы, к поликристаллическим пленкам с «гладкой» поверхностью [2]. В литературе приведены разные значения оптимальной температуры осаждения при примерно одинаковых прочих параметрах формирования [1-3, 9]. Кроме того, на свойства получаемых HSG-Si-пленок влияет толщина осажденной пленки [1, 2].
Наиболее важными характеристиками HSG-Si-пленок с точки зрения практических применений, в том числе в конденсаторных структурах, являются приращение площади поверхности (по сравнению с «гладкой» пленкой), размер зерен и плотность зерен. Хотя влияние условий осаждения на морфологию HSG-Si-пленок исследовалось как методами электронной микроскопии [1-3], так и методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) [9], полученные при этом зависимости таких характеристик, как размер и плотность зерен, имеют качественный характер, а размеры зерен приведены только для некоторых значений параметров осаждения.
Цель настоящей работы - определение условий формирования HSG-Si-пленок с большой площадью поверхности, пригодных для создания конденсаторных структур с повышенной емкостью, посредством изучения зависимости морфологии HSG-Si-пленок от условий формирования (температуры осаждения, толщины осажденной пленки) методом сканирующей АСМ.
Эксперимент и анализ АСМ-изображений. HSG-Si-пленки получали методом LPCVD в трубчатом горизонтальном реакторе (ASM-LPCVD) при разложении моноси-лана SiH4. Осаждение производили на кремниевые пластины КДБ, имеющие ориентацию (100), со слоем термического окисла толщиной 35 нм. Для определения температурного интервала образования HSG-Si-пленок температура осаждения варьировалась от 560 до 620 °C. Давление моносилана при осаждении было фиксированным и составляло 0,2 Торр, что соответствует оптимальному значению. Время осаждения варьировалось таким образом, чтобы толщина пленок, осаждаемых при разных температурах, составляла 60, 100 и 150 нм.
После осаждения проводился отжиг пленок в вакууме, необходимый для окончательного формирования структуры пленок. Температура отжига поддерживалась равной температуре осаждения. Время отжига составляло 20 мин.
Толщина осажденных пленок определялась посредством рефлектометра Leitz MPV-SP, а также электронного микроскопа на сколе пластины. Морфологию изучали при помощи атомно-силового микроскопа Солвер Р47 (компания «NT-MDT», г. Москва). При получении АСМ-изображений использовался полуконтактный режим измерения, амплитуда колебаний зонда составляла 5-10 нм (применялись кантилеверы NSG_01). При измерениях получены АСМ-изображения со следующими размерами: 0,5 х 0,5 мкм; 1 х 1 мкм; 2 х 2 мкм; 4 х 4 мкм; 8 х 8 мкм.
Математическая обработка АСМ-изображений осуществлялась с помощью программного пакета «Image Analysis P9» (компания «NT-MDT»). Из анализа морфологии пленок, осажденных при разных температурах в интервале 560-620 °C с шагом ~(5-10) °C, найдено приблизительное положение температурного интервала, в котором происходит образование HSG-Si-пленок. Далее проведено подробное изучение морфологии пленок в температурном интервале 571-595 °С, содержащем область, в которой происходит образование HSG-Si-пленок.
При анализе АСМ-изображений, представляющих собой функции высоты поверхности Z(xi,y>j), отсчитанной от базовой плоскости XY, рассчитывали: относительное прираще-
ние площади поверхности Sdr [10]; плотность Ng и средний латеральный размер Dg зерен; среднюю высоту зерен Zg; среднеквадратическую шероховатость поверхности Sq [10]; автокорреляционную функцию (ACF) [10], из которой определяли корреляционную длину Lc. Средний размер Dg определялся усреднением размеров отдельных зерен, которые выделялись в результате сегментации АСМ-изображения. Размер отдельного зерна определялся как диаметр окружности, площадь которой равна площади, приходящейся на зерно. Из плотности зерен Ng определено среднее расстояние между зернами
Lg=(1/Ng)1/2
Для оценки пригодности использования получаемых HSG-Si-пленок в конденсаторных структурах с повышенной емкостью изготовили и изучили два типа интегральных конденсаторов. Первый тип - обычный конденсатор с нижним электродом из традиционного «гладкого» поликристаллического кремния. Конденсатор второго типа отличается тем, что при формировании нижнего электрода на слой «гладкого» поликристаллического кремния осаждался HSG-Si-слой c большой площадью поверхности. Кроме процедуры осаждения HSG-Si-пленки, все остальные процессы при формировании обоих типов конденсаторов проводились одновременно. Толщина верхнего и нижнего поликремниевых электродов составляла 420 и 600 нм соответственно. Легирование электродов проводилось фосфором посредством ионной имплантации. Диэлектрический слой Si3N4 осаждался методом LPCVD при разложении аммиака NH3 и дихлорсилана SiCl2H2 при температуре 760 °С. Перед осаждением Si3N4 натуральный окисел кремния был нитридизирован посредством отжига в аммиаке NH3 в течение 30 мин при температуре 760 °С. Для измерения электрических характеристик (электрической емкости и вольт-амперных характеристик) двух типов тестовых конденсаторов использовался измерительный комплекс «Hewlett Packard 4061A».
Результаты и их обсуждение. На рис.1 приведены выборочные АСМ-изображения пленок толщиной 60, 100 и 150 нм, осажденных при одинаковых температурах в интервале 571-595 °С. Видно, что с изменением температуры осаждения Td и толщины осажденной пленки меняется ее морфология. Размер изображений 1 х 1 мкм.
Полученные из анализа АСМ-изображений зависимости среднего размера зерен Dg и плотности зерен Ng от температуры осаждения Td для трех толщин пленок (60, 100 и 150 нм) приведены на рис.2.
В исследованном температурном интервале (571-595 °С) на кривых Dg(Td) и Ng(Td) можно выделить несколько характерных температурных участков, положение и длина которых различна для разных толщин пленок. Первый участок соответствует температурам, при которых происходит образование смешанных пленок, состоящих из кристаллических зерен, включенных в аморфную пленку. На этом температурном участке с увеличением температуры Td происходит монотонный рост плотности зерен Ng и среднего размера зерен Dg. Этот участок заканчивается температурой T1, при которой происходит переход от смешанной пленки к пленке, полностью состоящей из поликристаллических зерен (HSG-Si-пленке). Для пленок толщиной 100 нм первый участок соответствует температурам Td < T1 ~ 578 °С, для пленок толщиной 150 нм - температурам Td < T1 ~ 580 °С. Для пленок толщиной 60 нм температура T1 ниже 571 °С. Таким образом, температура T1, при которой происходит переход от смешанной пленки к HSG-Si-пленке, существенно зависит от толщины осажденной пленки, а именно смещается в сторону больших температур с увеличением толщины осажденной пленки (более чем на 9 °С при увеличении толщины пленки от 60 нм до 150 нм).
Рис. 1. АСМ-изображения пленок толщиной 60, 100 и 150 нм, осажденных при одинаковых температурах в интервале 571-595 °С
570 575 580 585 590 595 570 575 580 585 590 595
Td, °С Td, °с
а б
Рис.2. Зависимости среднего размера зерен Dg (а) и плотности зерен Ng (б) от температуры осаждения Td для трех толщин пленок
На втором температурном участке (T1 < Td < T2) с ростом Td происходит сначала замедление роста Dg, а затем значительное уменьшение Dg, а для плотности зерен Ng сначала замедление роста Ng и затем значительный рост Ng. Для пленок толщиной 100 нм второй участок соответствует температурам 578 °С < Td < 584 °С, для пленок толщиной 150 нм - температурам 580 °С < Td< 591 °С, для пленок толщиной 60 нм -температурам 571 °С < Td < 580 °С.
На третьем участке (Т2 < Та < Т3) с изменением температуры Та средний размер и плотность N практически не изменяются, т.е. имеет место «полка» на кривых (Та) и Ыё(Та). Для пленок толщиной 100 нм третий участок соответствует температурам 584 °С < Та < 594 °С, для пленок толщиной 150 нм - температурам 591 °С < Та < 594 °С, для пленок толщиной 60 нм - температурам 580 °С < Та < 594 °С.
Температуру Т3 можно считать температурой перехода от НБО-Бьпленок к пленкам поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью. Этот переход является довольно резким и составляет примерно 1,5-3 °С. На рис.3 приведены зависимости относительного приращения площади поверхности 8аг и среднеквадратической шероховатости поверхности от температуры осаждения Та для трех толщин пленок (60, 100 и 150 нм).
80 70 60 è? 50 £ 40 30 20 10
в 100 нм
п/
Та1 ■ \ \ /^ч. в\ у \ \
22 20 18 16
I 14
&Л2
СО
10
100 нм — 150
/ бсГ"^-
570 575 580 585 590 595 570 575 580 585 590 595
Т* °С /,,. С
а б
Рис.3. Зависимости относительного приращения площади поверхности Sdr (а) и среднеквадратической шероховатости поверхности Sq (б) от температуры осаждения Td для трех толщин пленок
Как видно из рис.3, имеют место следующие закономерности. Положение максимума на кривых Sar(Ta) и Sq(Td) зависит от толщины пленки. При уменьшении толщины максимумы Sar и Sq смещаются в сторону более низких температур, а при толщинах ~ 60 нм происходит уширение и расплывание максимума. Максимум Sq смещен относительно максимума Sar в сторону более низких температур на несколько градусов. Максимальную величину Sar, равную ~80%, имеют пленки толщиной 100 нм, полученные при температуре осаждения Ta ~ 584 ± 3 °С. При температуре Ta = T3 ~ 594 °С, соответствующей переходу от HSG-Si-пленок к пленкам поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью, происходит довольно резкое уменьшение Sar и Sq. Так, для пленки толщиной 100 нм при увеличении температуры от 593 до 595 °С величина Sq уменьшается от 9 до 3 нм, величина Sar - от 20 до 5%. Так же резко изменяется средняя высота зерен Zg (от 50 до 15 нм). Этот переход виден и на АСМ-изображениях (см. рис.1). Если HSG-Si-пленки состоят из отдельных зерен, то пленки поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью состоят из полностью сросшихся зерен, при этом распределение зерен по размеру и высоте совершенно другое, чем у HSG-Si-пленок. Следует отметить, что температура перехода от HSG-Si-пленок к пленкам поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью слабо зависит от толщины осажденной пленки, в отличие от случая перехода «смешанная пленка - HSG-Si-пленка».
В исследованном температурном интервале (571-595 °С) изменяется не только плотность и средний латеральный размер зерен, но и форма. Так, для пленок толщиной 100 нм отношение средней высоты зерен к среднему размеру зерен Zg/Dg, составляет: 0,45 (571 °С); 0,6 (578 °С); 1,0 (584 °С); 0,24 (595 °С).
Испытания тестовых конденсаторных структур показали, что наибольшее увеличение емкости имели конденсаторы, в которых в качестве нижнего электрода использовались HSG-Si-пленки толщиной 100 нм, осажденные при температуре Td - 584 ± 3 °С, давлении 0,2 Торр и времени отжига 20 мин. Электрическая емкость этих конденсаторов была в 2 раза больше, чем емкость конденсаторов с гладким нижним электродом при такой же толщине диэлектрического слоя. Для конденсаторов с HSG-Si-пленкой электрическая емкость составляла -3,4 нФ, а в конденсаторных структурах с электродом из «гладкого» поликремния электрическая емкость составляла -1,69 нФ (при толщине диэлектрического слоя « 8,5 нм, площади конденсаторов 0,275 мм ). Эквивалентная напряженность электрического поля, при которой происходил пробой диэлектрика, примерно одинакова для конденсаторных структур обоих типов и составляет Eeq - 8 - 9 МВ/см. Увеличение емкости примерно в 2 раза в полученных конденсаторных структурах за счет использования HSG-Si-пленок соответствует значениям, приведенным в работах [1, 2] для аналогичных конденсаторных структур, которые применяются в современных коммерческих микросхемах динамической памяти (DRAM) [4].
Различие между приращением площади поверхности Sdr~80%, полученной при АСМ-анализе, и приращением емкости ~ в 100%, определенной из измерений электрических характеристик, объясняется тем, что АСМ-изображения получают при сканировании поверхности посредством зонда, который имеет определенные латеральные размеры острия (радиус острия составляет примерно 5-10 нм), соответственно его проникновение ограничено, например на границах между зернами HSG-Si-пленок. В результате происходит некоторое занижение значения Sdr, определяемого АСМ-измерениями.
Таким образом, на основе использования АСМ-методов изучена зависимость морфологии пленок кремния, получаемых методом LPCVD, от температуры осаждения Td и толщины осаждаемой пленки в температурном интервале от 571 до 595 °С и интервале толщин от 60 до 150 нм при фиксированных значениях давления (0,2 Торр) и времени отжига (20 мин).
Выяснено, что температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si-пленок, зависит от толщины осажденной пленки и составляет: 571-594 °С для толщины 60 нм, 578-594 °С для толщины 100 нм, 580-594 °С для толщины 150 нм.
Обнаружено, что переход от HSG-Si-пленок к пленкам поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью является резким, слабо зависит от толщины пленки и происходит при температуре около 594 °С. При этом переходе резко уменьшается среднеквадратическая шероховатость поверхности Sq (от 9 до 3 нм), средняя высота зерен Zg (от 50 до 15 нм), относительное приращение площади поверхности Sdr (от 20 до 5% для пленок толщиной 100 нм). В то же время при переходе от смешанных пленок к HSG-Si
-пленкам нет резкого изменения величин Sq, Zg и Sdr. Определено, что максимальную величину относительного приращения площади поверхности Sdr, равную ~80%, имеют пленки толщиной 100 нм, полученные при температуре осаждения Td ~ 584 ± 3 °С. В этих пленках Sq~18 нм, а отношение средней высоты зерен к среднему размеру зерен ZgDg~ 1,0.
Применение в конденсаторных структурах HSG-Si-пленок, сформированных при условиях, обеспечивающих образование большой площади поверхности Sdr~80% (температура осаждения Td ~ 584 ± 3 °С, толщина слоя 100 нм), позволяет увеличить ем-
кость, приходящуюся на единицу площади, в ~2 раза по сравнению с конденсаторными структурами с электродами из «гладкого» поликристаллического кремния.
Литература
1. Device application and structure observation for hemispherical-grained Si / H. Watanabe, N. Aoto, S. Adachi et al. // J. Appl. Phys. - 1992. - Vol. 71, № 7. - P. 3538-3543.
2. Rugged surface polycrystalline silicon film deposition and its application in a stacked dynamic random access memory capacitor electrode / M. Ino, J. Miyano, H. Kurogi et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. - 1996. -Vol. 14, № 2. - P. 751-756.
3. Morphology and Integration of Rough Polycrystalline Silicon Films for DRAM Storage Cell Applications / A. Banerjee, D.L. Crenshaw, R. Wise et al. // J. of The Electrochemical Society. - 1999. - Vol. 146, № 6. -P. 2289-2293.
4. Evolution of technology for stacked-capacitors in 65 nm embedded-DRAM /E. Gerritsen, N. Emonet, C. Caillat et al. // Solid State Electronics. - 2005. - Vol. 49. - P. 1767-1775.
5. Suzuki K. Hemispherical-grained LPCVD-polysilicon films for use in MEMS applications // Sensors and Actuators A: Physical. - 2000. - Vol. 79, № 2. - P. 141-146.
6. Ultracompact electron-beam column / H.P. Kuo, S. Lam, X. Sheng et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. -2006. - Vol. 24, № 2. - P. 1030-1034.
7. Akazawa H. Self-limiting size control of hemispherical grains of microcrystalline Si self-assembled on an amorphous Si film surface // Appl. Phys. Lett. - 2003. - Vol. 82, № 9. - P. 1464-1466.
8. Ecoffey S., Bouvet D., Ioneseu A., Fazan P. Low-pressure chemical vapour deposition of nanograin polysilicon ultra-thin films // Nanotechnology. - 2002. - Vol. 13. - P. 209-293.
9. Strauer Y.E., Scorth M., Sweeney J.J. Characterization of the low-pressure chemical vapor deposition grow rugged polysilicon surface using atomic force microscopy // J. Vac. Sci. Technol. A. - 1997. - Vol. 15, № 3 -P.1007-1013.
10. Blunt L., Jiang X. Advanced techniques for assessment surface topography: development of a basis for 3D surface texture standards «surfstand». - London: Kogan Page Science, 2003. - 340 р.
Статья поступила 7 декабря 2012 г.
Новак Андрей Викторович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: микро- и наноэлектроника, перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники, атомно-силовая микроскопия. E-mail: novak-andrei@mail.ru
Опечатка
В журнале «Известия высших учебных заведений. Электроника» №5(103), 2013 допущена опечатка.
В статье «Автоэмиссия из наноструктур на основе карбида кремния и влияние на нее образующихся субоксидных 8Юд.-покрытий. II. Эмиссионные свойства SiC-нанопротрузий. Обзор» авторов Бобовников П.Г., Ермаков A.C., МатюшкинИ.В. и др. нас. 3 в первом абзаце следует читать:
В этих условиях карбид кремния SiC имеет преимущество перед другими материалами, так как химически стабилен и инертен.
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.396
Кольцевой генератор, управляемый напряжением, для высокоскоростных систем ФАПЧ
С.А. Быстрицкий, В.И. Клюкин, Е.Н. Бормонтов
Воронежский государственный университет
Представлена схема кольцевого генератора, управляемого напряжением (ГУН), ориентированная на применение в высокоскоростных системах фазовой автоподстройки частоты, интегрированных в программируемые логические ИС. С помощью моделирования показано, что максимальная рабочая частота ГУН, выполненного по технологии КМОП 180 нм, может достигать 2 ГГц при всех условиях эксплуатации, фазовый шум равен -99 дБ/Гц на частоте отстройки 1 МГц.
Ключевые слова: генератор, управляемый напряжением, линейность характеристики, фазовая автоподстройка частоты, фазовый шум, потребляемая мощность, программируемая логическая интегральная схема.
Один из путей расширения функциональных возможностей программируемых логических ИС (ПЛИС) - использование встроенной системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Это позволяет не только синтезировать необходимые для работы частоты, но и синхронизировать фазы тактовых импульсов различных частей БИС на кристалле, а также подавлять возникающие в цепях помехи. Среди основных блоков системы ФАПЧ наибольшее влияние на качество выходных параметров (возможный набор частот, их стабильность, джиттер) оказывает генератор, управляемый напряжением (ГУН), линейность передаточной функции (отношение А/вых/ДКупр) и максимальная рабочая частота которого напрямую связаны с указанными характеристиками [1].
В настоящее время известны архитектуры кольцевых генераторов, позволяющие получать рабочие частоты до 9 ГГц в технологии КМОП 180 нм. Среди четырехступенчатых генераторов, использующихся в ПЛИС из-за наличия восьми выходов и возможности сдвигать фазу выходного сигнала ФАПЧ кратно 1/8 периода, максимальные частоты в рассматриваемой технологии составляют 4 - 5 ГГц. Однако при проектировании встроенных систем ФАПЧ верхнюю границу частотного диапазона ГУН обычно ограничивают, ориентируясь на максимальную частоту дерева синхронизации ПЛИС. Так, передовые производители ПЛИС со встроенными ФАПЧ (Altera и Lattice) «перешагнули» гигагерцовую границу рабочих частот КМОП ГУН только в районе проектных норм 90-130 нм (табл.1). Это связано с тем, что выходные параметры ФАПЧ сильно зависят от передаточной характеристики ГУН, наклон которой при заданных требованиях ТЗ должен быть минимальным.
© С.А. Быстрицкий, В.И. Клюкин, Е.Н. Бормонтов, 2013
