CC BY
76
УДК 621.315.6
ВЛИЯНИЕ ПРОНИКАЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ НА СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКА И ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИКДИЭЛЕКТРИК ПРИ РЕАКТИВНОМ КАТОДНОМ РАСПЫЛЕНИИ
ГУРИН в.н.
Al2O3. Электродами служил алюминий, нанесенный вакуум-термическим испарением. В эксперименте использованы пластины кремния КЭФ-4,5, ориентированные в плоскости [100].
Подготовка поверхности ситалловых подложек и кремниевых пластин осуществлялась по стандартной технологии.
Для определения энергии и концентрации частиц, облучающих пленку, использовались зондовые вольт-амперные характеристики, полученные на различных расстояниях от разрядной камеры, и известное соотношение для концентрации электронов и ионов в объеме плазмы:
Проводится исследование влияния проникающей плазмы на свойства диэлектрических пленок SiO2, Si3N4, Al2O3 и границы раздела Si - SiO2, Si - Si3N4, Si - Al2O3 при реактивном катодном распылении. Установлено, что наиболее благоприятные условия формирования пленок наблюдаются в случае осаждения на изолированный образец, на котором устанавливается плавающий потенциал - 25-30 В. Растущая пленка поочередно подвергается воздействию электронов с энергией до 15 эВ и ионов с энергией не превышающей 10 эВ при плотности облучения 5 '1013частиц/смУ 1013частиц/ см2.
В опытном и мелкосерийном производстве тонкопленочных гибридных микросхем и приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МД П) для нанесения диэлектрической пленки распространен метод реактивного катодного распыления, успешно реализуемый в пеннинговс-кой, магнетронной газоразрядных системах, а также в трехэлектродной системе катодного распыления, на основе которых реализовано промышленное оборудование. Перечисленные системы реактивного катодного распыления объединяет возможность изменения плотности низкотемпературной плазмы путем применения регулированного магнитного поля, а также то обстоятельство, что подложка вместе с растущей пленкой находится на некотором расстоянии от зоны разряда и подвергается воздействию заряженных частиц проникающей плазмы.
В этих условиях в рабочих режимах получения диэлектрических пленок энергия облучающих частиц изменяется от 2 до 50 эВ, концентрация частиц (N) может изменяться от N=2,5x 1010см-3 до N=1011см-3, а плотность облучения (D) — от Б=1013см-2с-1 до D=1017см-2с-1 [1].
В связи с тем, что в литературе нет данных, описывающих влияние облучения частицами указанных энергий на свойства диэлектрических пле -нок и границы раздела полупроводник - диэлектрик, в статье приводятся результаты исследований воздействия проникающей плазмы на эти объекты.
1. Методика исследований
В качестве объектов исследований выбраны диэлектрические пленки SiO2, Si3N4, Al2O3, нанесенные на ситалловые подложки реактивным катодным распылением в атмосфере кислорода и азота, а также МДП структуры Si - SiO2, Si - Si3N4, Si -
ne = ni = — Vrnij ШТе ,
Че
где qe — заряд электрона; me — масса электрона; К — постоянная Больцмана; Те — температура электронного газа; je — плотность электронного тока на зонд на участке насыщения.
Для определения энергии электронов использовали соотношение из [2]:
U • n
—— = 3,4 + 0,5 In А В/град;
Ее
здесь U-n — плавающий потенциал образца; А — массовое число иона рабочего газа.
Подсчет плотности облучения D, которому подвергается единица площади подложки в единицу времени, производится по плотности ионного тока на участке насыщения зондовой характеристики:
D
j_____1_
qe ’ см2 С '
Распределение электронов по энергиям определяли путем дифференцирования зонд овых характерис -тик, снятых с помощью четырехэлектродного зонда, электродами которого служили металлические сетки.
Рассмотрены четыре ситуации, при которых возможно осуществлять осаждение диэлектрических пленок.
1. В отсутствие облучения электронами и ионами.
Для исключения попадания заряженных частиц на образец перед окном, через которое осуществляется поступление конденсата на образец, помещается сетка, соединенная с анодом.
Образцы изолированы и электрически нейтральны.
2. Пленка облучается электронами, потенциал образцов изменяется от 0 до потенциала анода.
3. Пленка облучается положительными ионами.
Образцы находятся под потенциалом, изменяющимся от 0 до потенциала катода.
РИ, 2001, № 4
29
4. Пленка попеременно облучается электронами и ионами.
Образцы находятся под плавающим потенциалом.
Регулирование энергии частиц, облучающих диэлектрическую пленку, обеспечивалось изменением расстояния образцов до разряда.
Снятие поверхностного потенциала с диэлектрической пленки осуществлялось с помощью электронной и ионной пушек, обеспечивающих энергию электронов от 2 до 100 эВ.
В качестве электронной пушки применялся цилиндр Винельта с накаливаемым вольфрамовым катодом.
Конструкция и характеристики ионной пушки малых энергий описаны в [3].
Чтобы исключить колебания температуры образца из -за нагрева излучением плазмы, его нагревали до 523 К. Так как осаждение пленок осуществлялось на вращающиеся образцы, то их кратковременное нахождение в зоне действия излучений плазмы не приводило к изменению температуры.
2. Результаты эксперимента
Свойства диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик, полученные при отсутствии электронно-ионной бомбардировки, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Система Мкм Епр, MB/см со ьр Я m 2 о Z <4 2 о И "is а & со 5
Si- SiO2 0,15 1 0,003 2-1012 6-1011
Si- SisN4 0,15 3 0,008 8-1011 2-1012
Si- АІ2°3 0,15 3 0,009 7-1011 2-1012
Пленки SiO2, Si3N4, Al2O3 характеризуются хорошей электрической прочностью и несколько повышенным значением tgS. На границе раздела полупроводник-диэлектрик существует большое количество поверхностных состояний порядка 1012. Поверхностный заряд значителен и составляет 6х 10псм-2^2х 1012см-2 для пленок и SiO2, Si3N4,AL2O3 соответственно. С увеличением удельной мощности разряда наблюдается незначительный рост поверхностных состояний. Рост магнитного поля приводит к увеличению плотности поверхностных состояний и поверхностного заряда.
3. Свойства диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик при облучении электронами и ионами
Экспериментально установлено, что облучение электронами энергией 5-15 эВ приводит к улучшению характеристик диэлектрической пленки и границы раздела полупроводник-диэлектрик.
В этом диапазоне энергий электронов, бомбардирующих растущую пленку, происходит увеличение прочности диэлектрической пленки, уменьшение поверхностного заряда.
Свойства МДП структур, подвергнутых воздействию электронов с энергией 5-15 эВ и плотностью 5-1013е/см2с, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Система Мкм Епр, MB/см СО ьр Я Г) м 'я о SZ? <4 2 о И а & со п о
Si- SiO2 0,15 2,5 0,002 5-1011 4-1011
Si- Si3N4 0,15 5 0,006 4-1011 6-1011
Si- AI2O3 0,15 5 0,007 3-1011 7-1011
Увеличение энергии бомбардирующих электронов в диапазоне 15-20 эВ при плотности облучения 5-1013е/см2с приводит к незначительному росту плотности поверхностных состояний и уменьшению электрической прочности облучения диэлектрических пленок.
Увеличение плотности облучения от 1013е/см2с до 1016 е/см2с приводит к появлению на границе раздела большого положительного заряда и росту плотности поверхностных состояний. Отжиг в вакууме значительно снижает Ns, однако положительный заряд не уменьшается.
Положение кривой 2, представленной на рис. 1, зависит от частоты измерения, при уменьшении которой она сдвигается в сторону больших отрицательных напряжений. После отжига частотная дисперсия исчезает.
Рис. 1. Влияние облучения образца электронами и ионами на вольт-фарадные характеристики структуры Si-Si3N4-Al: 1 — образец под плавающим потен-циалом-25В; 2 — образец облучается электронами; 3 — образец 2 после отжига в вакууме
В указанном диапазоне увеличение плотности облучения приводит также к росту потенциала плоских зон. Типичная зависимость потенциала плоских зон от плотности облучения представлена на рис.2.
30
РИ, 2001, № 4
Рис. 2. Зависимость потенциала плоских зон (UFB) от плотности облучения электронами
При облучении пленки ионами с энергией до 10 эВ и плотностью облучения 1013ион/см2с наблюдается некоторое улучшение параметров диэлектрических пленок: возрастает электрическая прочность, уменьшается tgS.
Увеличение энергии бомбардирующих ионов до 30 эВ приводит к образованию поверхностных состояний и росту поверхностного заряда на границе полупроводник-диэлектрик. Число поверхностных состояний увеличивается до 2,5-1012 см-2эВ-1, а поверхностный заряд возрастает до 3-1012 ед. зар. см-2. Отжиг при 723 К уменьшает количество поверхностных состояний и величину заряда.
Увеличение плотности облучения с 1013до 1014 ион/ см2с не приводит к существенным изменениям качества пленок и характеристик границы раздела полупроводник-диэлектрик. Однако наблюдается уменьшение скорости роста пленок.
При достижении плотности облучения 1015-1016ион/ см2с наблюдается пробой диэлектрической пленки. Типичная картина пробоя представлена на рис. 3.
Рис.З.Область пробоя пленки Al2O3 при облучении ионами с энергией 10 эВ и плотностью облучения 1015 ион/см2с (ув. 150 тыс.)
Наиболее благоприятные условия для формирования пленок наблюдаются в случае осаждения на изолированный образец. На образце устанавливается плавающий потенциал-25-30 В.
Растущая пленка поочередно подвергается воздействию электронов с энергией до 15 эВ и ионов с энергией, не превышающей 10 эВ.
Характеристики диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик, полученные при плавающем потенциале-25-30 В, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Система Мкм E np MB/cm Ю & PQ z 2 и <N 2 0 О & CO n 0
Si- SiO2 0,15 3 0,001 5 1-1011 2-1011
Si- Si2N4 0,15 6 0,003 2-1011 3-1011
Si- AI2O3 0,15 6 0,005 9-1010 1,8-10"
4. Обсуждение результатов эксперимента
В отсутствие электронно-ионной бомбардировки растущая пленка и граница раздела полупроводник-диэлектрик подвергаются воздействию нейтральных атомов и фотонов.
Как показано в [3], при бомбардировке структуры нейтральными атомами единственным видом дефектов были поверхностные состояния. Их количество зависит от плотности облучения и энергии частиц. Эффект увеличения поверхностных состояний становится заметным при плотности облучения выше 1013см-2с-1.
При реактивном катодном распылении этот эффект имеет место в случае увеличения удельной мощности разряда, когда энергия нейтральных частиц достигает значения несколько десятков эВ.
Наиболее вероятной причиной возникновения поверхностных состояний и поверхностного заряда является облучение пленки фотонами, энергия которых соответствует мягкому рентгеновскому излучению, возникающему в результате процессов торможения электронов в плазме разряда. Как было показано в [4], фотоны с энергиями рентгеновского излучения увеличивают фиксированный заряд и плотность поверхностных состояний.
Возможным механизмом, ответственным за этот процесс, является перенос дырок в пленках с последующим их захватом на границе полупроводник-диэлектрик [5].
Установлено, что пороговая энергия, при которой происходят заметные изменения на границе раздела полупроводник-диэлектрик, равна 15 эВ.
При формировании реактивно распыленных пленок на образец поступают отдельные атомы материала катода и химического соединения. Одновременно на его поверхности адсорбируются молекулы рабочего газа, которые химически не связаны с атомами материала катода. Облучение электронами с энергией 5-15 эВ и плотностью 5х1013е/см2с способствует возбуждению и ионизации молекул рабочего газа и стимулирует протекание реакции между молекулами газа и атомами материала катода непосредственно на образце.
РИ, 2001, № 4
31
В случае распыления в атмосфере кислорода этот процесс происходит на нижней границе установленного энергетического интервала, так как химическое взаимодействие молекулярного кислорода с атомами распыленного вещества может происходить и в обычных условиях.
Образование насыщенных химических связей приводит к упрочнению пленок и снижению поверхностного заряда.
Наиболее существенные изменения характеристик границы раздела полупроводник-диэлектрик и свойств диэлектрических пленок происходят при облучении электронами энергией выше 15 эВ с плотностью 1016е/см2с.
Интенсивная электронная бомбардировка может приводить к диссоциации молекул химического соединения и росту числа ненасыщенных связей, что влечет увеличение фиксированного заряда. Она способствует также образованию глубоких ловушек в диэлектрике. На этот эффект указывает появление гистерезиса С-И характеристик, который возрастает с повышением скорости изменения смещения. Вид петли гистерезиса характерен для процессов захвата электронов на ловушки в диэлектрике [5, 6].
Деградация диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик под действием бомбардировки положительными ионами при катодном распылении изучена достаточно хорошо [3].
Улучшение свойств диэлектрических пленок при облучении ионами малых энергий (до 10 эВ) при плотности облучения 1013ион/см2с может быть обусловлено удалением не связанных молекул рабочего газа, что приводит к уплотнению пленок и улучшению их свойств. На этот эффект указывает уменьшение скорости роста пленок и увеличение показателя преломления [ 1].
Согласно [3], увеличение энергии бомбардирующих ионов может привести к образованию подвижного заряда и поверхностных состояний, а при увеличении плотности облучения — к захвату ионов растущей пленкой. Как показано в [7], подвижной заряд образуется в пленках из-за того, что бомбардирующие ионы делают подвижными примесные атомы. Такой механизм приемлем для окисных пленок, в которых всегда имеется некоторое количество натрия.
Однако наиболее вероятным механизмом возникновения подвижного заряда и образования поверхностных состояний является рождение фотонов высокой энергии на поверхности растущей пленки.
Экспериментально установлено, что увеличение плотности облучения до 1015-1016ион/см2с приводит к пробою диэлектрических пленок. Подобную картину пробоя для пленок SiO2 наблюдали авторы [8]. Ими показано, что если оксидная пленка бомбардируется положительными ионами, максимальное поле, возникающее в окисле, не зависит от его толщины и что в отсутствие других факторов плотности порядка 1015 ион/см2с вполне достаточно для того, чтобы вызвать сильный пробой в облучаемых пленках. 32
5. Выводы
Облучение частицами плазмы разряда оказывает дополнительное воздействие, определяющее изменение электрофизических свойств диэлектрических пленок и границы раздела полупроводникдиэлектрик.
Облучение электронами с энергией частиц, не превышающей 15 эВ, и плотностью 5х1013см-2с-1 улучшает свойства диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик вследствие образования насыщенных химических связей за счет ионизации и возбуждения молекул активного газа, адсорбирующихся на поверхности растущей пленки.
Облучение ионами вызывает десорбцию избыточных молекул газа и уплотнение пленок.
Облучение электронами с энергией частиц выше 15 эВ и плотностью 1016см-2с-1 ухудшает свойства пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик, так как вызывает диссоциацию молекул химического соединения, увеличение фиксированного заряда и образование глубоких ловушек в полупроводнике. В этих же условиях облучение ионами вызывает необратимый пробой диэлектрика. Пробой диэлектрических пленок при облучении ионами указанного диапазона энергий и плотностей обусловлен высоким значением положительного заряда на поверхности диэлектрика.
Оптимальным является режим, при котором осаждение пленки осуществляется на изолированный образец. На нем устанавливается плавающий потенциал-25-30 В. Растущая пленка поочередно подвергается воздействию электронов с энергией до 15 эВ и ионов с энергией, не превышающей 10 эВ, при плотности облучения 1013частиц/см2^5х 1013 частиц/см2.
Литература: 1.Гурин В. Н. Получение и электрофизические свойства реактивно-распыленных пленок оксидов и нитридов кремния, алюминия, титана. Дис. канд. физ.-мат. наук. Харьков, 1982. 184 с. 2. Medved D. B. Electron Microscope Diagnostics of then Film Sputtering. J. Of Appl. Fhys., 1962. Vol.32, N5. Р. 1759-1763. 3. Маккоэн Д.В, Кушнир P.A. Деградация окисных пленок за счет облучения плазмой при катодном распылении и ионном травлении. ТИИЭР. 1974. Т.62. С. 63-74; 4. Powell R J, Derlewick G. E. Vacuum ultraviolet radiatio in SiO2. - IEEE Trans, Nuel. Sci., 1871. Vol 5, N18. Р. 99-105; 5. Вологдик ЭЛ., Жукова Г.А., Мордковик В.И. Радиационные повреждения в приповерхностных слоях кремния // Физика и техника полупроводников, 1973. Вып. 4. С. 835-836. 6. Гурин В.Н., Федоренко В.Н, Сологуб В.Е. Влияние плазмы низковольтного пеннинговского разряда на свойства диэлектрических пленок и границы раздела полупроводник-диэлектрик // Радиоэлектроника летательных аппаратов. 1981. Вып. 11. С.76-81. 7. Hughes H, Baxted R D., Fhilligas B. Dependence of MOS device radiation sensitivy on impurities. IEEE., 1972, N5-19. Р. 256-263; 8. Me. Canghan D. V, Murphy V. T. Low energy bombardment effects in SiO2. J. Appl. Phys., 1973, Vol. 44. Р. 3182-3187.
Поступила в редколлегию 18.06.2001
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.
Гурин Валерий Николаевич, д-р техн. наук, директор Харьковского филиала Промышленной Академии, специалист в области микроэлектроники, мастер спорта по горному туризму. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Колонная, 111, тел. 76-41-42.
РИ, 2001, № 4
32
