CC BY-NC
13Влияние технологических факторов на дефектность структур кремний на сапфире
Мустафаев Гасан Абакарович
доктор технических наук
профессор, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет" 360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф 122
Mustafaev Gasan Abakarovich Doctor of Technical Science Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122
И zoone@mail.ru Панченко Валерий Александрович
кандидат технических наук доцент, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет" 360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф 122
Panchenko Valerii Aleksandrovich PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122
И Panchenko@mail.cos Черкесова Наталья Васильевна
кандидат технических наук доцент, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет" 360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф 122
Cherkesova Natal'ya Vasil'evna PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122
El natasha07_2002@mail.ru
Мустафаев Арслан Гасанович
доктор технических наук
профессор, ГАОУ ВО "Дагестанский государственный университет народного хозяйства" 367015, Россия, Республика Дагестан, г. Махачкала, ул. Атаева, 5, каб. 4.5
Mustafaev Arslan Gasanovich Doctor of Technical Science
Professor of the Department "Information technologies and information security' of the Dagestan State
University of National Economy
367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Aiaeva, 5, kab. 4.5 El arslan_mustafaev@hotmail.com
Статья из рубрики "Физика"
Аннотация. Структуры кремний на сапфире являются основой для производства радиационно-стойких интегральных схем, что в первую очередь важно для космической промышленности, атомной энергетики и военного применения. В работе проведено исследование механизма гетероэпитаксии кремния на сапфире, для последующего создания транзисторных структур с низкой дефектностью. Методом резерфордовского обратного рассеяния изучены эпитаксиальные слои кремния выращенные на сапфировой подложке. При помощи Оже анализа определен состав и глубина переходного слоя кремний-сапфир. Определено, что связь между кремнием и сапфиром осуществляется через тетраэдрически координированный кислород. В эпитаксиальных слоях наблюдается увеличение дефектности в тех областях спектра, которые соответствуют промежуточной области между слоем кремния и сапфировой подложкой, и дают максимальный вклад в каналирование ионов. Учет неупорядоченного характера строения перехода кремний-сапфир позволяет установить причинную связь между зарядом на границе в структуре кремний на сапфире и током утечки полевого транзистора. Разработан способ создания полупроводникового прибора с улучшенными параметрами как по токам утечки так и по плотности структурных дефектов.
Ключевые слова: кремний на сапфире, подложка, ток утечки, кристаллическая р е ш е тка , плотность дефектов, механические напряжения, ионное внедрение, гетероэпитаксия, Оже анализ, обратное рассеяние
DOI: 10.7256/2453-8884.2017.1.22388
Дата направления в редакцию: 31-03-2017
Дата публикации: 08-04-2017
Abstract. Silicon-on-sapphire structures serve as a base for the production of radiation-resistant integration circuits, which are very important for space industry, nuclear energetics, and the military sphere. The authors study the silicon-on-sapphire hetero-epitaxial mechanism for the subsequent creation of low-defectiveness transistor structures. Using the Rutherford backscattering, the authors study epitaxial layers of silicon, grown on sapphire substrate. Using the Auger analysis, the authors define the composition and the depth of the transitional layer of silicon-sapphire. The authors ascertain that silicon-to-sapphire bond is performed through tetrahedral sited oxygen. Defectiveness growth can be observed in the regions of spectrum of epitaxial layers, corresponding to the transitional region between the silicon layer and the sapphire substrate, and contributing to ion channeling. Account of an irregular character of the silicon-sapphire transition allows establishing causal link between the charge on the silicon-on-sapphire structure border and leakage current of field emission transistor. The authors develop the method of creation of a semiconductor device with improved parameters both in leakage currents and in structure defects density.
Keywords: heteroepitaxy, ion implantation, mechanical tension, defect density, crystalline lattice, leakage current, substrate, silicon-on-sapphire, Auger analysis, Rutherford backscattering
Технология кремний на сапфире (КНС) является одной из перспективных для
изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью упаковки. Сапфировая подложка имеет много технологических преимуществ: высокая твердость, отличные изолирующие свойства и высокая теплопроводность, прозрачность
в ультрафиолетовом диапазоне Из-за снижения паразитных емкостей повышается быстродействие элементов, а отсутствие необходимости в дополнительной изоляции элементов друг от друга, позволяет увеличить степень интеграции элементов. Диэлектрическая подложка позволяет практически исключить токи утечки приборов и снизить энергопотребление.
В силу различий параметров кристаллических решёток подложки (сапфир) и осаждаемого материала (кремний), в приграничной к границе раздела области кремния создаются большие напряжения, а различие коэффициентов теплового расширения делает эти напряжения еще больше
В работах —^ показана возможность снижения плотности дефектов упаковки с помощью ионного внедрения, аморфизирующего кремниевый слой, и многоэтапных высокотемпературных отжигов. Вместе с тем не оптимизированы параметры процессов ионного внедрения и отжига, в частности выбора оптимальной энергии внедрения [5].
Определение механизма гетероэпитаксии кремния на сапфире является необходимым
условием создания интегральных схем на этой изолирующей подложке Известно, что при обычном химическом осаждении кремния из паровой фазы на сапфировую подложку между Si и А12О3 образуется промежуточный слой, благодаря чему становится
возможным сопряжение по решетке выращенного материала с подложкой Структура промежуточного слоя является алюминосиликатной А^Ю5 что означает образование
дополнительных Si-О и новых А1-О связей. Толщина промежуточного слоя определяется условиями химического осаждения. При многолучевом изображении решетки в просвечивающем электронном микроскопе над промежуточным слоем в пленке Si
наблюдаются дефекты упаковки, микродвойники, дислокации, упругие напряжения Из кристаллографических принципов следует ожидать, что для успешной гетероэпитаксии между напыляемым материалом и подложкой должно быть:
■ подобие их симметрии, координации и типа связи;
■ сопряжение по решёточным параметрам.
КНС-структура не соответствует этим принципам, хотя слои кремния (100) успешно выращиваются на плоскостях сапфира (1012), (1124), (0001) и (1120). Предполагается, что связь между кремнием и сапфиром осуществляется через тетраэдрически координированный кислород. Даже при слабом травлении сапфира на его поверхности можно обнаружить кислород, связанный в ^Ю4] и [А104] тетраэдры или подобные конфигурации. Длина связей О-О в этих тетраэдрах подобна аналогичной длине связей в объеме А12О3. Благодаря специфическим свойствам таких тетраэдров - возможность
вращательного движения тетраэдра как целого, варьирование длины связей и углов между ними, замещаемость катионов (А1- Si) становится реальным подогнать параметры решетки между кремнием и сапфировой подложкой.
С помощью обратного рассеяния ионов Не+ с энергией 1.4 МэВ анализировались эпитаксиальные слои Si на сапфировой подложке А12О3, особенно в области, граничащей с подложкой. Кремний выращивался методом химического осаждения из
паровой фазы (пиролизом SiH4/H2) в два этапа: в течение нескольких секунд с высокой скоростью осаждения, а затем со скоростью 0.3 мкм/мин при 1000 °С. Этим достигалась очень малая толщина промежуточного слоя, доступного для исследования в просвечивающем электроном микроскопе. Изучалась функция деканалирования А^):
по которой, согласно модели деканалирования ионов, можно оценить концентрационный профиль распределения дефектов по глубине при условии известной информации о типе дефектов. Величина стт определяется из соотношения:
'(100)
гшп гапаот
которое связывает спектральные характеристики обратного рассеяния первичных ионов
Не+ падающих в произвольном Yrandom и в каналированном Y[100] вдоль оси [100] направлениях. стт- минимальное значение для недеформированного кремния (100). Эпитаксиальные слои последовательно утоньшались при помощи анодного окисления и химического травления оксида с регистрацией изменений А^).
Рис. 1. Спектр обратного рассеяния ионов Не+ КНС-структуры (1012) при различных
толщинах пленки кремния
На рис. 1 представлен спектр обратного рассеяния ионов Не+ для эпитаксиальных слоев кремния (100) различной толщины: d si= 0.2, 0.3 и 0.9 мкм соответствуют спектры 1, 2 и 3
для произвольного падения ионов Не+ и спектры 1', 2' и 3' для каналированных ионов.
Из сравнения спектров каналированных ионов Не+: для эпитаксиальных слоев и монокристаллического кремния следует, что в эпитаксиальных слоях присутствует достаточно много дефектов решетки. Заметен резкий подъем в тех областях спектра обратного рассеяния, которые соответствуют промежуточной области между слоем и подложкой. Очевидно, что именно в этой области локализованы дефекты, которые дают
максимальный вклад в каналирование падающих ионов Не"
Рис. 2. Спектры обратного рассеяния при произвольном падении ионов Не+ для КНС
(измеренный (■) и рассчитанный (-))
На рис. 2 показаны измеренный и рассчитанный спектры обратного рассеяния при
произвольном падении ионов Не+ для эпитаксиального слоя кремния толщиной 0.18 мкм на сапфире. Незначительные расхождения могут быть объяснены тем, что при расчете не учитывалось среднеквадратичное отклонение в спектре энергетических потерь для падающих ионов Не+. Из хорошего совпадения измеренного и рассчитанного спектров следует, что можно оценить только предельную толщину возможного промежуточного слоя, значение которой определяется разрешением детектора (~15 кэВ) и должно быть меньше 0.03 мкм. Тем не менее, этот слой, содержащий атомы алюминия, кремния и кислорода, оказывает значительный эффект на форму спектра обратного рассеяния.
На рис. 3 представлены результаты Оже-анализа структуры КНС п-типа с толщиной слоя кремния 0.5 мкм. Между эпитаксиальным слоем кремния и сапфировой подложкой хорошо выявляется переходный слой. Оценка толщины этого слоя по времени ионного травления дает величину порядка десяти нанометров, а анализ его состава допускает предположение об аморфной природе всего переходного слоя или его части.
ее
с;
о
ч: ц
о
100 80 60 40 20 0
60
80 мин
100
Рис. 3. Распределение основных компонентов структуры КНС в зависимости от времени
ионного травления.
Переход кремний-сапфир представляет собой область переменного состава - со структурой мозаичного монокристалла, толщиной 10 нм и более, включающую кремний и алюмосиликатные соединения.
Переходная область, образующаяся в результате наращивания на поверхности сапфира эпитаксиального кремниевого слоя, состоит преимущественно из алюмосиликатов и представляет в целом сильно неупорядоченную систему со значительным содержанием аморфной фазы. Наряду с алюмосиликатами в составе переходной области присутствует
кремний, вероятно, в виде мозаичных кристаллов или (и) поликристаллов. Известно что материал с таким неупорядоченным строением обладает высокой плотностью локализованных состояний, энергетически расположенных в зазоре подвижности, ширина которого, как следует полагать, значительно больше ширины запрещенной зоны эпитаксиального кремния. Плотность и энергетическое распределение локализованных состояний непосредственно связаны со структурой и должны сильно зависеть от технологических особенностей формирования переходной области. Важно подчеркнуть, что наличие между кремнием и сапфиром прослойки широкозонного материала с высокой плотностью локализованных состояний оказывает сильное влияние на электрофизические процессы в структурах КНС. Так, перераспределение носителей заряда между локализованными состояниями и зонами в кремнии при термодинамическом равновесии приводит к появлению в кремнии области пространственного заряда (ОПЗ), эквивалентной наличию на границе раздела сосредоточенного заряда. Такое представление о природе заряда на границе кремний-сапфир хорошо согласуется с результатами работ по исследованию влияния
технологических факторов на характеристики границы раздела [10, 11].
В случае полевого транзистора на КНС неупорядоченная прослойка создает дополнительный канал утечки между стоком и истоком. Преобладающий механизм прохождения тока в такой системе связан с инжекцией носителей заряда из контактных областей и их переносом с участием ловушек в объеме, в качестве которых выступают локализованные состояния. Проводимость канала зависит от плотности локализованных состояний в переходной области, так и инжекционных характеристик контакта и по этим причинам может сильно различаться для контактов п- и р- типов. Проводимость канала в режиме ОПЗ изменяется от степенной в области малых полей к экспоненциальной при больших полях (104 В/см) вследствие эффекта Пула- Френкеля.
Таким образом, учет неупорядоченного характера строения перехода кремний-сапфир устанавливает причинную связь между зарядом на границе в структуре КНС и током утечки полевого транзистора и позволяет с единых позиций объяснить совокупность экспериментальных фактов, относящихся к этим вопросам И2^.
Для снижения токов утечки, уменьшения напряжений в КНС-структурах и улучшения параметров приборов разработан способ создания полупроводникового прибора [13, 14], основанный на формировании изолирующей подложки под слоем кремниевой пленки слоя диоксида кремния со скоростью осаждения 0.02 мкм/мин, толщиной 0.2- 0.4 мкм при температуре подложки 700-1080 °С. При этом на границе раздела кремниевая пленка- изолирующая подложка происходит снижение плотности структурных дефектов из-за уменьшения несоответствия решеток. Результаты исследований представлены в табл. 1.
Таблица 1. Параметры МДП-структур различных конструкций
Сформированная на кремниевой пленке выращенной на подложке А12О3 Сформированная на кремниевой пленке выращенной на SiO2, поверх А12О3
Ток утечки плотность по дв иж нос ть носителей см2/Вхс ток утечки плотность подв иж но сть
VX1011, А дефектов Nx103, см-2 VX1011, А дефектов Nx103, см-2 носителей см2/Вхс
2.1 3.6 550 0.15 0.7 800
3.5 4.8 505 0.2 0.9 755
1.8 3.1 560 0.11 0.6 810
2.4 3.9 530 0.15 0.7 790
3.2 4.5 510 0.17 0.9 780
1.1 2.7 600 0.1 0.5 900
2.3 3.8 535 0.14 0.7 795
3.7 4.9 505 0.22 0.9 760
4.8 6.2 490 0.25 0.95 748
1.5 2.9 580 0.1 0.4 870
3.9 5.1 515 0.21 0.8 785
5.2 6.5 480 0.27 1.0 740
6.3 7.8 460 0.3 1.2 728
4.1 5.3 500 0.19 0.9 750
7.3 8.8 450 0.35 1.3 720
5.4 6.7 475 0.29 1.1 735
Из табл. 1 видно, что предложенная конструкция обеспечивает создание полупроводникового прибора с улучшенными параметрами. Способ изготовления полупроводникового прибора защищен патентом РФ HSi.
Библиография
1. Colinge J.P. Thin film SOI technology: the solution for many submicron CMOS problems // IEEE International Electron Devices Meeting, 1989, p. 817-820.
2. Курносов, А. И. Юдин, В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем // М: Высшая школа, 1986. - 368 с.
3. Nakamura T., Matsuhashi H., Nagatomo Y. Silicon on sapphire (SOS) device technology // Oki Technical Rev., 2004, vol. 71, no. 4, pp. 66-69.
4. Wang Q., Zan Y., Wang J., Yu Y. // Materials Science and Engineering. B. 1995. Vol. 29. pp. 43-46.
5. Воротынцев В.М., Шолобов Е.Л., Герасимов В.А. // ФТП. 2011. Т. 45 (12). С. 1662
6. Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев А.Г. Исследование гетероэпитаксии кремния на сапфире при создании транзисторных структур Нано- и микросистемная техника. 2011. № 8. С. 41-43.
7. Мустафаев А.Г., Савинова А.М., Мирзаева П.М. Управление технологическим процессом формирования структур интегральных элементов Нано- и микросистемная техника. 2012. № 3. С. 20-23.
8. Мустафаев Г.А., Мустафаев А.Г. Радиационная стойкость к накопленной дозе ионизирующего излучения Нано- и микросистемная техника. 2007. № 12. С. 47-49.
9. Burgener M.L., Reedy R.E. Minimum Charge FET Fabricated on an Ultrathin Silicon on a Sapphire Wafer. US Patent №5416043, 1995.
10. Nagatomo Y., Reedy R.E. Latest Trends of SOS (Silicon on Sapphire) Technology. Denshi Zairyo, Vol. 42, No. 5, 2003.
11. Johnson R.A., de la Houssaye P.R., Chang C.E., Chen P. et al. Advanced Thin-Film Silicon-on-Sapphire Technology: Microwave Circuit Applications // IEEE Transactions on
electron devices, Vol. 45, №5, 1998. pp. 1047-1054.
12. Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г., Панченко В.А. Полевые транзисторы с двухслойным диэлектриком затвора В сборнике: Микро- и нанотехнологии в электронике Материалы VII Международной научно-технической конференции. Редакционная коллегия: А. М. Кармоков, О. А. Молоканов. 2015. С. 304-306.
13. Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г., Панченко В.А. Влияние технологии изготовления p-nперехода на токи утечки В сборнике: Микро- и нанотехнологии в электронике Материалы VII Международной научно-технической конференции. Редакционная коллегия: А. М. Кармоков, О. А. Молоканов. 2015. С. 246-248.
14. Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г. Моделирование технологического процесса осаждения диэлектриков В сборнике: ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ОБРАЗОВАНИИ И БИЗНЕСЕ Сборник материалов IV международной научно-практической конференции. ГАОУ ВПО "Дагестанский государственный институт народного хозяйства". 2016. С. 289-291.
15. Мустафаев А.Г., Кармоков А.М., Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А. Способ изготовления полупроводниковой структуры. Патент РФ №2292607. М., 2007.
References (transliterated)
1. Colinge J.P. Thin film SOI technology: the solution for many submicron CMOS problems // IEEE International Electron Devices Meeting, 1989, p. 817-820.
2. Kurnosov, A. I. Yudin, V.V. Tekhnologiya proizvodstva poluprovodnikovykh priborov i integral'nykh mikroskhem // M: Vysshaya shkola, 1986. - 368 s.
3. Nakamura T., Matsuhashi H., Nagatomo Y. Silicon on sapphire (SOS) device technology // Oki Technical Rev., 2004, vol. 71, no. 4, pp. 66-69.
4. Wang Q., Zan Y., Wang J., Yu Y. // Materials Science and Engineering. B. 1995. Vol. 29. pp. 43-46.
5. Vorotyntsev V.M., Sholobov E.L., Gerasimov V.A. // FTP. 2011. T. 45 (12). S. 1662
6. Mustafaev A.G., Mustafaev G.A., Mustafaev A.G. Issledovanie geteroepitaksii kremniya na sapfire pri sozdanii tranzistornykh struktur Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2011. № 8. S. 41-43.
7. Mustafaev A.G., Savinova A.M., Mirzaeva P.M. Upravlenie tekhnologicheskim protsessom formirovaniya struktur integral'nykh elementov Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012. № 3. S. 20-23.
8. Mustafaev G.A., Mustafaev A.G. Radiatsionnaya stoikost' k nakoplennoi doze ioniziruyushchego izlucheniya Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2007. № 12. S. 4749.
9. Burgener M.L., Reedy R.E. Minimum Charge FET Fabricated on an Ultrathin Silicon on a Sapphire Wafer. US Patent №5416043, 1995.
10. Nagatomo Y., Reedy R.E. Latest Trends of SOS (Silicon on Sapphire) Technology. Denshi Zairyo, Vol. 42, No. 5, 2003.
11. Johnson R.A., de la Houssaye P.R., Chang C.E., Chen P. et al. Advanced Thin-Film Silicon-on-Sapphire Technology: Microwave Circuit Applications // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 45, №5, 1998. pp. 1047-1054.
12. Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G., Panchenko V.A. Polevye tranzistory s dvukhsloinym dielektrikom zatvora V sbornike: Mikro- i nanotekhnologii v elektronike Materialy VII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Redaktsionnaya kollegiya: A. M. Karmokov, O. A. Molokanov. 2015. S. 304-306.
13. Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G., Panchenko V.A. Vliyanie tekhnologii izgotovleniya p-nperekhoda na toki utechki V sbornike: Mikro- i nanotekhnologii v elektronike Materialy VII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Redaktsionnaya kollegiya: A. M. Karmokov, O. A. Molokanov. 2015. S. 246-248.
14. Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G. Modelirovanie tekhnologicheskogo protsessa osazhdeniya dielektrikov V sbornike: INFORMATsIONNYE TEKhNOLOGII V NAUKE, OBRAZOVANII I BIZNESE Sbornik materialov IV mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. GAOU VPO "Dagestanskii gosudarstvennyi institut narodnogo khozyaistva". 2016. S. 289-291.
15. Mustafaev A.G., Karmokov A.M., Mustafaev A.G., Mustafaev G.A. Sposob izgotovleniya poluprovodnikovoi struktury. Patent RF №2292607. M., 2007.
