Механизмы влияния ионной имплантации кремния, германия и фтора на свойства композиций SiO2/Si при воздействии ионизирующего излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Гуськова, Ольга Павловна

• Гуськова, Ольга Павловна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Гуськова, Ольга Павловна

1.1 Структура диоксида кремния.......................................................................13

1.1.1 Кристаллические модификации диоксида кремния................................13

1.1.2 Аморфная модификация диоксида кремния.............................................15

1.2 Электрофизические свойства диоксида кремния...........................................18

1.2.1 Типичные дефекты в объеме диоксида кремния и на границе раздела Si/SiO?.......................................................................................................18

1.2.3 Процессы, протекающие в диоксиде кремния при воздействии ИИ. 20

1.2.4 Влияние способа получения слоев диоксида кремния на их свойства до и после воздействия ИИ..................................................................22

1.3 Влияние технологии изготовления структур КНИ на радиационно-индуцированные процессы.....................................................................................29

1.4 Модификация электрических свойств слоев диоксида кремния..............34

Формулировка задач исследований.......................................................................41

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................43

2.1 Экспериментальные методы........................................................................43

2.1.1 Формирование тестовых структур.........................................................43

2.1.2 Использование метода фотолюминисценции для изучения дефектного состава неотоженньгх пленок диоксида кремния, имплантированных ионами Si+, Ge+, F+ до и после воздействия низкоэнергетического рентгеновского излучения............................................46

2.1.3 Использование метода ВИМС для нахождения профилей распределения имплантированных атомов в структурах КНИ.......................47

2.1.4 Использование метода ВЧ ВФХ для контроля процессов накопления заряда в диэлектрических слоях тестовых структур МОП

после воздействия ИИ..........................................................................................49

2.2 Теоретические методы...................................................................................53

2.2.1 Квантово-химичсскис методы..............................................................53

2.2.2 Приближения квантово-химических методов. Теория функционала плотности (DFT)............................................................................57

2.2.3 Решение уравнения Шредингера для периодических систем в обратном пространстве. Представление Фурье.................................................59

2.2.4 Методика расчета энергетической плотности состояний для системы с дефектом..............................................................................................61

2.2.5 Вычислительные пакеты Quantum ESPRESSO и Gaussian.....................63

2.2.6 Метод Монте-Карло....................................................................................64

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2............................................................................................65

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СТРУКТУРАХ МОИ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ

ДИЭЛЕКТРИКОМ................................................................................................67

3.1 Использование рентгеновского имитационного комплекса для исследования воздействия ионизирующего излучения на электрофизические и структурные свойства модифицированных имплантацией слоев диоксида кремния................................................................67

3.2 Исследование имплантационных дефектов в диоксиде кремния методом фотолюминисценции...............................................................................70

3.3 Исследование профилей распределения имплантированных ионов Si+,

Ge , F' методом ВИМС..........................................................................................73

3.4 Исследование электрофизических свойств диэлектрических слоев

тестовых структур МОП методом ВФХ...............................................................81

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3............................................................................................95

ГЛ АВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВСТРАИВАНИЯ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ В СТРУКТУРУ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ.....................................97

4.1 Атомы фтора...................................................................................................97

4.2 Атомы кремния................................................................................................105

4.3 Атомы германия...........................................................................................109

4.4 Моделирование формирования нанокластеров Si и Ge в матрице

диоксида кремния..................................................................................................121

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4..........................................................................................128

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..............................................................129

А1- Структура входного файла в вычислительном комплексе Gaussian 03... 131

А2-Структура входного файла в вычислительном комплексе QE..................133

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................137

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВИМС -масс-спектроскопия вторичных ионов;

ВФХ - вольт-фарадная характеристика;

ВЧ ВФХ - высокочастотная вольт-фарадная характеристика;

КНИ - структуры кремний - на -изоляторе;

МОП - структуры метал - окисел - полупроводник;

НАК - немостиковый атом кислорода;

НКД - нейтральная кислородная дивакансия;

НКМ - нейтральная кислородная моновакансия;

ИИ- ионизирующее излучение;

ИС - интегральные схемы;

ИМС - интегральные микросхемы;

0118 - область пространственного заряда;

ППС-плотность поверхностных состояний;

ПХТ -плазмохимическое травление;

ПХО- плазмохимическое осаждение;

ФЛ-фотолюминисценция;

ФР- фоторезист;

BESOI (Bonded and back side Etched SOI ) - метод создания структур крем-ний-на-изоляторе; основанный на сращивании двух пластин кремния, одна из которых окислена и утопченнием одной из пластин шлифовкой и травлением;

Dele-Cut - метод создания структур кремний-на-изоляторе, основанный на сращивании пластин кремния с использованием метода водородного расслоения, вариант технологии Smart-Cut;

SIMOX - структуры кремний-на-изоляторе, созданные имплантацией ионов кислорода в платину кремния с последующим высокотемпературным отжигом;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию индуцированных воздействием ИИ процессов, протекающих в структурах «металл-окисел-полупроводник» (МОП), диэлектрические слои которых модифицированы ионной имплантацией примесей.

Работа направлена на решение одной из актуальных задач современной микроэлектроники: обеспечение стойкости элементной базы специального назначения к воздействию ионизирующих излучений (ИИ) путем модификации свойств исходного материала.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизмы влияния ионной имплантации кремния, германия и фтора на свойства композиций SiO2/Si при воздействии ионизирующего излучения»

Актуальность проблемы

Стойкая к воздействию ИИ электронная компонентная база (ЭКБ) применяется для комплектования изделий, предназначенных для работы в условиях космоса. Для производства такой ЭКБ используются в основном гетероструктуры «кремний на диэлектрике» (КНД), к которым относятся структуры «кремпий-на-изоляторе» (КИИ) и структуры «кремний-на-сапфирс» (КИС). Являясь одним из конструктивных элементов интегральных микросхем (ИМС), структуры КНД в значительной степени определяют стойкость микросхем к поражающим факторам при воздействии ИИ.

В связи с этим, работы, направленные на создание гегеросгруктур, обладающих малой чувствительностью к воздействию ИИ, приобретают особую значимость. В [ 11 показано, что для ИС, изготовленных на структурах КНИ, наибольшую опасность представляют эффекты, связанные с интегральной поглощенной дозой. Одним из таких эффектов является накопление положительного электрического заряда в диэлектрических слоях структур КНИ. Для снижения радиационной чувствительности диэлектриков применяются различные методы обработки исходных структур КНИ, результатом которых является снижение влияния свободных дырок, гене-

рируемых при облучении, и уменьшение заряда в диэлектрике, связанного с захватом дырок ловушками.

Одним из наиболее распространенных методов, связанных с внесением дополнительных электронных состояний в зонную структуру диэлектрика и компенсацией имеющихся дырочных центров захвата, является имплантация различных примесей (азот, германий, кремний, фтор, мышьяк и др.). Имеются российские и зарубежные работы, в том числе патенты [36,37,25,26], в которых отмечается эффект снижения воздействия ИИ на приборы, выполненные на структурах КНИ с модифицированным имплантацией диэлектриком по сравнению со структурами, ие подвергнутыми модификации. Отмечается, что интегральный эффект снижения величины накопленного заряда при воздействии ИИ определяется ие только дозой, энергией и сортом имплантированных ионов, но и параметрами постим-плантационного отжига, а также способом получения структур КНИ.

Однако, для того, чтобы прогнозировать радиационную стойкость полупроводниковых приборов, необходимо знать конфигурацию и электронное строение дефектов, вносимых ионной имплантацией, с последующим высокотемпературным отжигом. До настоящего времени остается недостаточно ясным вопрос о механизмах возникновения центров захвата электронов в «захороненном» диэлектрике структур КНИ, модифицированном методом ионной имплантации. Систематизация результатов, полученных различными методами, направлена на идентификацию механизмов встраивания примесных атомов, определения конфигураций создаваемых ими дефектов и их электронных свойств. Это в конечном итоге создает возможности для инженерии дефектов и создания структуры КНИ с пониженной чувствительностью к воздействию ИИ.

Таким образом, проблема, решаемая в рамках диссертации, является актуальной.

Состояние исследований по проблеме

К началу выполнения работы были проведены экспериментальные исследования, подтверждающие положительное влияние имплантации примесных атомов в диэлектрические слои структур К11И на стойкость полупроводниковых приборов, изготовленных на их основе, по отношению к ИИ [47]. Авторами [47,48] для структур КНИ с азотированным и фторированным диэлектриком показано, что результат модификации методом имплантации во многом определяется параметрами имплантации (дозой, энергией), сортом ионов, методом получения структур.

До настоящего времени подробно не исследовались структура и электронная конфигурация дефектов, вносимых имплантацией ионов 57, F в матрицу 5702 Необходимо установление связи между параметрами имплантации, видом генерируемых дефектов и их электрическими свойствами. Для часто используемых в производстве ИС модификаций диоксида кремния отсутствовали сведения о роли режимов ионно-лучевой модификации в снижении чувствительности диэлектрических слоев к воздействию ИИ. Отсюда следует необходимость теоретического и экспериментального исследования закономерностей, приводящих к снижению процессов деградации электрофизических параметров диэлектрических слоев, модифицированных примесыо, при воздействии ИИ. Знание таких закономерностей позволит дать интерпретацию экспериментальным результатам, а также предсказать свойства генерируемых имплантацией дефектов.

Предлагаемый для анализа процессов дефектообразования в окисле теоретический подход должен позволять: 1) проводить расчет оптимизированной геометрии, электронного строения, содержащего дефект окисла; 2) определять наиболее энергетически выгодные конфигурации дефектов; 3) объяснять экспериментально полученные данные по влиянию имплантации ионов 57, Се, Г в матрицу 5Ч02 на чувствительность диэлектрика к воздействию ИИ.

Экспериментальные исследования процессов радиационно-индуцированного накопления заряда в диэлектрических пленках требуют комплексного подхода к анализу параметров материалов, многослойных структур па их основе и готовых приборов. Важно провести не только интегральную оценку влияния ИИ на параметры приборов, но и определить перестроение дефектной структуры материала в результате такого воздействия.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное установление механизмов формирования атомной и электронной структуры дефектов в слоях диоксида кремния, подвергнутых имплантации примесных атомов Се, ^ для обеспечения пониженной скорости накопления положительного заряда в диэлектрических слоях полупроводниковых приборов при воздействии ИИ.

Поставленная цель достигается путем решения следующих теоретических и экспериментальных задач:

1. Изучение процессов накопления заряда и изменения плотности поверхностных состояний в диэлектрических слоях структур МОП и КИИ/МОП с неимплантированным и модифицированным имплантацией ионов Се+, Г* диэлектриком к воздействию ИИ;

2. Определение энергетически выгодной геометрической конфигурации дефектов, индуцированных имплантацией ионов 57+, F+, электронных свойств дефектов, для установления механизмов, ответственных за поддержание электронейтральиости окисла при воздействии ИИ;

3. Выработка рекомендаций по использованию метода ионной имплантации с целыо снижения чувствительности диэлектрика к воздействию ИИ.

Научная новизна работы

Впервые проведено комплексное экспериментальное и теоретическое исследование слоев диоксида кремния, модифицированных имплантацией

ионов 57Се , Р\ используемых для снижения эффекта накопления заряда при воздействии ИИ.

Определено влияние ИИ на систему дефектов, распределение имплантированных ионов по глубине в результате высокотемпературного отжига, а также электронное строение и атомная конфигурация вносимых имплантацией дефектов:

- установлено, что при имплантации пленок диоксида кремния ионами фтора, кремния, германия вносятся дефекты, которые по-разному модифицируют спектры фотолюминисцепции (ФЛ) в зависимости от химических свойств внедряемой примеси.

- установлены профили распределения имплантированных атомов фтора, кремния, германия в структурах КИИ для различных режимов имплантации. Сделано заключение о преимущественной локализации дефектов, связанных с внедряемыми атомами 57, Се вблизи границы Я¡/81.0р. Атомы Г проникают па всю глубину захороненного окисла и в приборный слой структур КНИ.

- определены закономерности образования поверхностных состояний и их энергетическое распределение в запрещенной зоне кремния, кинетика образования индуцированного воздействием ИИ заряда в тестовых структурах МОП и КИИ/МОП с диэлектриком, модифицированным имплантацией атомов фтора, кремния, германия, при воздействии ИИ.

Показано, что при определенных дозах и энергиях имплантации происходит значительное снижение величины радиациоппо-индуцированного заряда в диэлектрических слоях.

Путем кваитово-химических расчетов найдены наиболее выгодные конфигурации имплантационных дефектов и установлена связь между экспериментально полученными данными о снижении чувствительности модифицированных диэлектрических слоев к воздействию ИИ с локализацией и электрическими свойствами дефектов, генерированных имплантацией.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов

Проведенные исследования способствуют разработке технологии стойких к воздействию ИИ СБИС, в частности результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, могут быть использованы при изготовлении структур КНИ, а также других электронных и оптоэлектронных приборов на основе диоксида кремния, содержащих имплантированные примеси. Проведенные исследования повышают наши знания в области физики и химии взаимодействия примесных атомов с широко используемым в производстве ИС диэлектриком - диоксидом кремния.

Па защиту выносятся:

1. Результаты анализа спектров фотолюминисценции структур 570/57 с диэлектриком, модифицированным ионной имплантацией фтора, до и после воздействия ионизирующего излучения;

2. Результаты квантово-химического моделирования встраивания атомов фтора в матрицу

3. Экспериментальные результаты по формированию нейтральных кислородных моновакансий, нейтральных кислородных дивакансий в структурах 8Ю2/57 при ионной имплантации 57Се и последующем воздействии ионизирующего излучения;

4. Механизм поддержания электронейтральности диоксида кремния при воздействии ионизирующего излучения, связанный с образованием нанокластеров.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях: Международные конференции «Кремний-2008» (г. Черноголовка), «Кремпий-2010» (г. Нижний Новгород), «Кремний-2011» (г. Москва), «Кремний-2012» (г. Санкт Петербург), XXVII и XXX Научные чтения, посвященные памяти

и

академика Ы.В. Белова (ННГУ, г. Нижний Новгород, 2008, 2011), XIV Всероссийская конференция «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение» (ИХВВ РАН, г. Нижний Новгород, 2011), XIV и XV Нижегородские сессии молодых ученых (г. Нижний Новгород, 2009, 2010).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в 3 статьях в реферируемых журналах и 11 тезисах докладов [А 1 -А 141.

Личный вклад автора в получение результатов

Задачи и цели экспериментальных и теоретических исследований индуцированных ИИ процессов, протекающих в структурах «металл-окисел-полупроводник» (МОП), диэлектрические слои которых были модифицированы имплантацией 57', Се\ сформулированы автором диссертации совместно с В.М. Воротынцевым.

Образцы КНИ с модифицированным имплантацией диэлектриком были изготовлены в ИФП СО РАН.

Экспериментальные исследования спектров фотолюминисценции структур МОП с модифицированным диоксидом кремния выполнены совместно с Д.И. Тетельбаумом, А.Н. Михайловым.

Экспериментальные исследования профилей распределения имплантированных атомов 57, Се, ^"выполнены совместно с М.Н. Дроздовым.

Автор принимала непосредственное участие в измерении электрофизических параметров структур МОП с модифицированным имплантацией 57, Се, F диэлектриком.

Квантово-химические расчеты для определения механизмов снижения чувствительности диэлектрических слоев, модифицированных имплантацией 57, Се, У7 при воздействии ИИ, выполнены автором диссертации само-

стоятельно. С точки зрения анализа и обобщения всех экспериментальных и теоретических данных вклад автора диссертации является решающим.

Благодарности

Автор выражает благодарность за обсуждение результатов работы д.ф.м.н., проф.Д.И. Тетельбауму, к.ф.м.н., доц. Е.Л.Панкратову, а также сотрудникам НИФТИ ННГУ и ИФМ РАН.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 148 страниц, включая 135 страниц основного текста, 60 рисунков, 16 таблиц и 80 наименований цитируемой литературы.

ГЛАВА 1. СЛОИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В СОСТАВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИХ МОДИФИКАЦИЯ

1.1 Структура диоксида кремния

1.1.1 Кристаллические модификации диоксида кремния

Известно более десяти аллотропических модификаций диоксида кремния: кварц, кристобалит, кеатит. коезит, стишовит и т.д. За исключением стишовита, в котором атом кремния координирован шестью атомами кислорода, во всех остальных модификациях атом кремния имеет тетраэд-рическую конфигурацию: окружен четырьмя атомами кислорода. Каждый атом кислорода в тетраэдрических модификациях связывает два атома кремния. Основным отличием различных модификаций разброс диэдриче-ского угла Si-0-Si, тетраэдрического угла O-Si-O и межатомного расстояния Si-O.

На рис. 1.1 представлена фазовая диаграмма перехода диоксида кремния в различные полиморфные модификации.

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма Si02 [2]

Из рисунка 1.1 следуст, что при достаточно низких давлениях и температурах ниже 1470 °С наиболее стабильной модификацией 6702 является тридимит. При повышении температуры выше 1470 °С тридимит переходит в высокотемпературную модификацию 5702 - кристобалит.

Таблица 1.1. Основные параметры структуры различных аллотропи-

ческих модификаций БЮ?

модификация сингония параметры решетки, А расстояние БЮД расстояние 0-0 ,А диэдрический угол БЮ-Б!,

низкотемпературный кварц гексагональная а=4.91 с=5.40 1.61 2.6-2.67 144

высокотемпературный кварц гексагональная а=5.01 с=5.47 1.62 2.6 144

тридимит ромбическая а=9.32 Ь=17.20 с=81.57 1.58-1.62 2.63 140-174

высокотемпературный кристобалит кубическая а=7.03 1.58-1.69 2.63 142-180

тридимит ромбическая а=9.32 Ь=17.20 с=81.57 1.58-1.62 2.63 140-174

высокотемпературный кристобалит кубическая а=7.03 1.58-1.69 2.63 142-180

коэсит моноклинная а=7.17,Ь=7.17, с=12.38 1.6-1.63 2.6-2.67 120

Вариацией диэдрического угла между крсмписво-кислородными тетраэдрами объясняется различная плотность и коэффициент преломления полиморфных модификаций диоксида кремния.

Наименьшей плотностью и коэффициентом преломления обладает

3 3

тридимит 2.28 г/см , ц =1.47), наибольшей коэсит (р =2.9 г/см , г} =1.6)

1.1.2 Аморфная модификация диоксида кремния

Существует 2 модели аморфного диоксида кремния - модель непрерывной случайной сетки (CRN ), предложенная Заха-риенсом [3]

-микрокристаллическая модель [4,5]

В рамках приближения CRN модели локальная структурная единица диоксида кремния (тетраэдр) остается постоянной, изменяется диэдриче-ский угол между тетраэдрами. Атом кремния находится в геометрическом центре тетраэдра и координирован четырьмя атомами кислорода, атом кислорода образует две связи с атомами кремния. Количество образуемых каждым атомом связей определяется числом электронов для завершения заполнения оболочки

Рис 1.2. Фрагмент из двух те траэдров SiO,//2 [70] Ч'—тетраэдрический угол Si- О Si 9-диэдрический угол Si -O- Si

Трехмерное связывание соседних SiO,г тетраэдров (рис. 1.2 ) определяет дальний порядок в различных кристаллических модификациях силикатов. В аморфных модификациях, где отсутствует дальний порядок, ди-эдрический угол принимает значения 120° - 180°, среднее значение поряд-

(Si 3s23p2; О 2s22p4).

ка 140°. На рисунке 1.3,1-4 представлено распределение диэдрических углов термического диоксида кремния, полученного при различных режимах.

УО 100 ПО 120 13(1 140 150 160 170 180

Рис. 1.3. Распределение диэдрических углов Si О Si в сухом термическом оксиде (1), влажном термическом оксиде (2), плавленом кварце(З), гидротермальном оксиде (4)[70]

Рис. 1.4. Распределение тетраэдриче-ских углов О 81 в сухом термическом оксиде (1), влажном термическом оксиде (2), плавленом квар-це(3), гидротермальном оксиде (4)[70]

Структурная модель диоксида кремния, в рамках приближения CRN модели представлена на рис. 1.5.

(Ь)

Рис.1.5. Упрощенная структурная модель диоксида кремния а - а- кварп Ь -аморфная модификация

Структура аморфного диоксида кремния состоит из колец в составе которых может быть от 4 до 8 кремниево-кислородных тетраэдров.

Аморфный диоксид кремния в рамках микрокристаллической модели представляется сконструированным из микрокристаллитов различных полиморфных модификаций диоксида кремния.

В соответствии с экспериментальными исследованиями расстояние между атомами Si—О составляет 1.6 А, расстояние между О и О 2.62 Â, расстояние между Si и Si 3.13 А [6].

Рассмотрим применение этих двух моделей для построения структуры аморфного диоксида кремния. В рамках приближения CRN модели во взаимном расположении тетраэдров должна соблюдаться корреляция, для того чтобы выполнялось заданное, описываемое законом Гаусса, распределение по углам Si—O-Si. С другой стороны, в рамках приближения микрокристаллической модели структуру аморфного диоксида кремния можно представить состоящей из включений коэсита, тридимита и кристобалита.

Эти включения могут быть значительно большими по размеру по сравнению с параметрами ячейки, но значительно меньшими, чем толщина слоя диоксида кремния.Однако авторы [7] говорят о том, что никакие современные методы не позволяют наблюдать в стёклах кристалли-тов.Авторы [6] считаю!', что наиболее точная модель аморфного диоксида кремния может быть получена сопоставлением этих 2 моделей, когда между включениями различных фаз диоксида кремния существует корреляция углов связи Si-O-Si в соответствии с CRN моделью.

Радиальная функция распределения атомной плотности (РФР), измеренная с помощью рассеяния рентгеновских лучей на термическом оксиде кремния, свидетельствует о том, что корреляция в расположении атомов (ближний порядок) сохраняется в пределах трех координационных сфер. РФР для плавленого кварца, сухого термического, влажного термического и пирогенного оксидов подобны.

В эксперименте с термическим Si02, полученным окислением кремния в кислороде при 1 ООО °С длина связи Si-0 в Si02 составляет 1,64 А, расстояние О-О - 2,63Â, расстояние Si-Si составляет 3,10 А [ 8|.

1.2 Электрофизические свойства диоксида кремния

1.2.1 Типичные дефекты в объеме диоксида кремния и на границе раздела

Дефекты, возникающие в объеме Si02 и на границе раздела Si/Si02, связаны с отклонениями от стехиометрии, возникающими в процессе получения диоксида кремния, наличием примесных атомов и оборванных связей.

Далее перечислены основные виды дефектов в объеме диоксида кремния, связанные с нарушением тетраэдрической координации кремния: трехкоординированпый атом кремния (Е'-цептр ) -двухкоординированный атом кремния (-Si:) -кремний-кремниевая связь (Si-Si bond)

однокоордипированный атом кислорода (SiO*) На рис. 1.6 представлены представлены фрагменты представительных кластеров, использованные в работе |14| для численного моделирования собственных дефектов Si02 и SijN,/.

Si/Si02

Si40|?H9-(E'-centre)

S,OH.-(=Si:)

S|,02<H„-(Si-Si-bond)

SiO H-(SiO')

Рис 1.6. Кластеры, используемые для моделирования дефектов в диоксиде кремния [14]

Важно отметить, что концентрация дефектов максимальна в приграничной области 57/5/02- Эта область характеризуется большими механическими напряжениями и высокой концентрацией электрически активных центров (поверхностных состояний). Одним из основных точечных дефектов в приграничной области являются Р^— центры, которые возникают вследствие нарушения порядка в расположении атомов на границе «окисел-полупроводник» (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Схематичное изображение (110) 81/8102 поверхности, иллюстрирующее возникновение РЬ- центров [9]

Локализация РЬ-центров именно на 1ранице 81/8Ю2 подтверждается тем, что амплитуда сигнала ЭПР не зависит от толщины слоя 8102 и исчезает с удалением последних 5 нм окисла |9|.

РЬ—центр представляет собой ненасыщенную кремниевую связь и дает и образный непрерывный энергетический спектр состояний в запрещенной зоне кремния (рис. 1.7.1).

Рис. 1.7.1. Модель Рь центра (нарушенное расположение атомов ): вблизи атома кремния отсутствует ион кислорода, в результате чего образуется оборванная связь па которой локализуется один электрон. 1-кислород; 2 вакансия кислорода; 3 кремний; 4 электрон. [10]

Вероятность заселения электронами уровней, созданных РЬ центрами в запрещенной зоне кремния, зависит от знака поверхностного потенциала.

При положительных значениях поверхностного потенциала оборванная связь не содержит электронов, и Рь —центр заряжен положительно. При отрицательных значениях поверхностного потенциала оборванная связь заполнена 2 электронами, и Рь центр заряжен отрицательно.

Электрические состояния на границе 81/8Юг и в объеме 8Ю2 непосредственно влияют на работу приборов, создаваемых в отсеченном слое кремния, поскольку они приводят к дополнительному рассеянию подвижных носителей, что проявляется в уменьшении крутизны сток-затворных характеристик транзисторов, а заряд, захваченный в объеме диэлектрика, приводит к смещению порогового напряжений транзисторов в СБИС.

1.2.3 Процессы, протекающие в диоксиде кремния при воздействии ИИ

В соответствии с 111,12,131 при воздействии ИИ на структуры МОП в диэлектрических слоях протекают следующие процессы. Сначала происходит генерация электрон-дырочных пар и их первичная рекомбинация.

При этом считается, что свободные электроны достаточно быстро покидают окисел. Дырки же захватываются на структурные дефекты внутри окисла. Как показано авторами [14] одним из эффективных центров захвата дырок в окисле является напряженная кремний-кремниевая связь.

В [15] предложена модель трансформации кислородной вакансии в положительно заряженный К '-центр. Согласно этой модели при захвате дырки на нейтральную кислородную вакансию неспарснный электрон локализуется у одного из атомов кремния, а не объединяется с обоими атомами. При этом второй атом кремния оказывается положительно заряженным в соответствии со следующей реакцией (1.1).

Оз^- Ь^ 03=81 + 81° =03 (1.1)

Следует отметить возможность процесса разрядки Б'-центра, при котором электрон захватывается на трехкоординированный атом кремния 8Г\ Причем выигрыш в энергии при захвате электрона на последний дефект составляет 2.9 эВ, а дырки -1.4 эВ 114] .

Расположенные рядом с границей 81/8Юг В'-центры могут разряжаться за счет электронов, туннелирующих из слоя кремния и не проявлять электрической активности. При этом П'-центры, находящиеся в объеме 8Ю2 остаются положительно заряженными.

Накопление заряда под действием излучения зависит и от направления электрического поля в окисле. Большинство отказов при воздействии ИИ на КМОП ИС обусловлено «-МОП транзистром. Это связано с особенностью КМОП схемотехники, при которой напряжение на затворе п-МОП транзистора положительно, а на р-МОГ! - отрицательно относительно канала. Это приводит к тому, что дрейф дырок направлен к границе раздела 81/8Ю2 в и-МОП-транзисторе и противоположен в р-МОП. Это справедливо как для активных, так и для паразитных МОП-транзисторов. Поэтому при разработке радиационно стойких КМОП-технологий необходимо особое внимание уделять как паразитным п-МОП-транзисторам, так и активным. Паразитные и-МОП стараются по возможности или исключить

(транзисторы с кольцевыми затворами), или максимально увеличить их пороговые напряжения (высоколегированные "охранные" области).

В приграничной области Si/SiO? при воздействии ИИ наблюдается интенсивное образование ПС. При этом высокоэнергетичные частицы вносят малый вклад в образование новых ПС, генерация ПС происходит, в основном, за счет эффектов ионизации.

Увеличение плотности ПС приводит к снижению подвижности и времени жизни носителей заряда в кремнии, поскольку при образовании дополнительных разрешенных уровней энергии в запрещенной зоне повышается вероятность рекомбинации свободных электронов и дырок.

В канале я-МОП транзистора на уровни поверхностных состояний захватывается отрицательный заряд, а в канале р-МОП-транзистора- положительный. Это связано с тем, что в базу я-канального транзистора инжектируются электроны, которые заполняют поверхностные состояния ниже уровня Ej- п, в результате чего акцепторные состояния заряжаются отрицательно.

В рнкапальпых транзисторах происходит иижекция дырок, и поверхностные состояния выше квазиуровня уровня Ферми ЕгР оказываются свободными, в результате чего донорные уровни в нижней половине запрещенной зоны заряжаются положительно.

При воздействии ИИ в объеме диэлектрических слоев в составе структур МОП накапливается положительный заряд, а так же изменяются электрофизические характеристики слоев кремния, такие как подвижность и время жизни носителей.

1.2.4 Влияние способа получения слоев диоксида кремния на их свойства до и после воз/;ействия ИИ

Формирование диэлектрических слоев может происходить вследствие как прямого химического взаимодействия компонентов окружающей

(технологической) среды с атомами обрабатываемой подложки - структуры, так и как результат осаждения материала из внешней атмосферы при пиролизе, ионно-плазменном, плазмохимическом или ином методе активации процесса осаждения 116 ] .

Первый тип реакций характерен для системы Б^Ю/. активное взаимодействие кремния с кислородом обуславливает наличие на монокристаллах 67 естественного слоя диоксида толщиной (2-5) им. Реакции второго типа позволяют формировать диэлектрические слои (например, БЮ?) не только на кремнии, но и иа кристаллах других полупроводников, не имеющих собственных окислов с хорошими маскирующими свойствами, в частности Ое, СаАя и др.

Процессы формирования оксидного слоя должны обеспечивать высокое качество пленок и удовлетворять условиям совместимости технологических процессов получения пленок с изготовлением ИС в целом. В производстве ИС используют следующие способы выращивания окис-ных пленок: термическое окисление; пиролитическое окисле-ние;плазмохимичсское осаждение 6702-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гуськова, Ольга Павловна, 2013 год

- нкд

-1—>—I—>—

= 337 нм

(КС

300 к

1 1016 смг

Рис.3.1 Спектры ФЛ образца исходной пленки 8Ю2 и пленок 8Ю2, облученных ионами в различных режимах.

В соответствии с литературными данными [58, 59,60,61,62,63,64,65] к основным дефектам в 570;?, излучающим свет в исследованной области спектра, относятся нейтральные кислородные дивакансии (максимум ФЛ

* Измерения методом ФЛ выполнены в НИФТИ ННГУ им. Н.И.Лобачевского в рамках совместной НИР. Постановка задачи и обсуждение результатов осуществлены автором диссертации совместно с Д.И. Те-тельбаумом, А.Н. Михайловым.

при '-< 400 им) нейтральные кислородные моповакансии (максимум ФЛ в диапазоне 450-550 им), а также иемостиковый атом кислорода (ФЛ при ~ 650 нм. Значения длин волн, соответствующих пикам ФЛ для этих дефектов, обозначены на рисунке .

Для образцов, имплантированных ионами Ое+, F+ можно отметить следующие особенности спектров фотолюминисценции:

- при дозе 5-1014 см"2 наблюдаются хорошо совпадающие с литературными значениями длин волн пики, соответствующие трем типам дефектных центров;

16 2

- при дозе 1-10 см" наблюдается ослабление пиков фотолюминисценции, связанных с этими 3 типами дефектных центров. Это связано с большей концентрацией вносимых имплантацией дефектов и ростом количества центров безызлучательной рекомбинации;

- при имплантации ионов фтора дозой 1-1016 см"2 выявлено снижение количества дефектных центров атомов пемостикового кислорода по сравнению с образцами, имплантированными ионами фтора дозой 5-1014 см"2, сопровождающееся увеличением количества вакансий и дивакаисий кислорода.

Затем образцы, с модифицированным имплантацией окислом были подвергнуты воздействию пизкоэпергстичпого рентгеновского излучения. На рисунке 3.2 приведены спектры фотолюминисценции структур имлан-тированпых ионами 571, Ое , до и после воздействия пизкоэпергстичпого рентгеновского излучения

Следует отметить, что для низких доз имплантации (0=5-1014 см"2)

низкоэнергетичное рентгеновское излучение не привело к существенному

изменению вида спектров фотолюминисценции. Для образцов с большей

16 2

дозой имплантации (/>=1-10 см" ) в результате воздействия низкоэнерге-тичиого рентгеновского излучения происходит перестройка дефектной структуры, сопровождающаяся изменением интенсивности и смещением пиков фотолюминисценции по длине волны.

Это может быть объяснено структурной перестройкой энергетически невыгодной конфигурации атомов с образованием иных типов дефектов.

SiO; F' (5 10й смл)

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Длина волны, нм

SiO¡:Ge' {5 10" см *)

к^ - 337 ни 300 К

400 460 500 £60 600 Длина волны, нм

400 450 500 550 «00 650 700

Длина волны, нм

Рис.3.2. Сравнение спектров ФЛ диоксида кремния, облученных ионами 57 , Се , У в различных режимах, до и после ионизирующего воздействия Данный эффект более выражен для структур с фторированным ди-

электриком и значительно менее выражен для структур имплантированных ионами ¿71, Се1.

3.3 Исследование профилей распределения имплантированных ионов 67',

Ое+, Г+ методом ВИМС"

Объектами исследований являлись пластины КИИ диаметром 100 мм с тестовыми МОП-сгруктурами. Перед проведением элементного анализа со структур был стравлен слой алюминия. Параметры структур представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1. Параметры структур

№ пласт Обозначение пластины Тип пров-ти Сорт ионов Энергия, кэВ Доза, -2 СМ Толщины слоев, нм

8Ю2

0 Эталон БОИЕС Р — - — 230 400

1 КНИ 1 Р Се+ 40 1 х 1016 213 400

2 КИИ 2 п Р+ 40 ЗхЮ14 343 400

3 КНИЗ р 35 1хЮ16 216 350

В качестве эталона использовалась пластина КНИ производства ф.«8окес». Результаты измерений эталонной пластины приведены на рисунках 3.3,3.4. Измерения проводились одновременно со структурами КИИ с имплантированным диэлектриком (рисунки 3.6,3.7,3.9,3.10,3.12,3.13).

" Измерения методом ВИМС выполнены ИФМ РАН. Постановка задачи и обсуждение результатов осуществлены автором диссертации совместно с М.Н Дроздовым

[S^r^UecfTj | Positive mode |

"""У""

• ---D Na ■ Mg • Al • "Si • К Ca • Fe

!

• • т - * \ --—1

0 50 100 150 200 250 300

Sputtering time, s

Рис.3.3. Профили электроположительных элементов во фрагменте пластины КНИ производства ф. «8оКес»

¡ SOTSoitechJ | Negative modi"

Sputtering time, s

Рис.3.4. Профили электроотрицательных элементов во фрагменте пластины КНИ производства ф. «8окес»

На рис.3.5, 3.8, 3.11 приведены расчетные профили ионов Се , У , Яг (расчет осуществлялся в про!рамме 8ШМ с энергиями, указанными в табл.3.1).

'Л

я

о

M g

s;

<s

ь

-ч

ION RANGES

Ion Knnge = "16 Л SLrav^U - 74 A

Skew гм-л» = 4<f7.tffiS4 KurUwb -5706.3681

OA

5x10'

4x10

3x10

2x10"

1x10 '

- Target Depth - 4100 A

Рис.3.5. Расчетный профиль распределения имплантированных ионов Ge

{Е- 40 кэВ)

I SOI Go р1~#5~|

Positive modo

10

10

О- э о 10

<я

10'

10-

10

........i.....................- imui ijnii_i| .........1...1г ,u -

: ¿i1"1"11............ ■ ♦ ft г 1 1 -.-B -•-Na Mg -.-Al Si — •<— К Ca • Fe ---Ge

i] i i i1 ь M 1 ill 1

i i i I ц!

■ i * * / * ! Wa 1

'T

;[ .. i írV * ? Ц f* ; » »»4« r^—-4 Ду-tjt ]

100 200 300

Sputtering time, s

too

Рис.3.6. Профили электроположительных элементов в пластине КНИ 1 (имплантация ионов Ge , Е~ 40 кэВ, D~\х1016 см"2)

---С

. ,80

Negative mode

200 300 400

Sputtering time, s

500

600

Рис.3.7. Профили электроотрицательных элементов в пластине КНИ

(имплантация ионов Се , Е~ 40 кэВ, D~\х 1016 cm"z)

m Я о

M

S

от ■

о

и <

ION RANGES

1ои Range - 592 A Strangle = 240 A

Skewneas =33.4513 Kurtosis = 79.0646

16x10

14*10

12x10

IQvlO '

SvlCT

6x104

4x10

2x10

O A - Target Depth - 4100 A

Рис.3.8. Расчетный профиль распределения имплантированных

ионов F+ Е- 40 кэВ

| SOI I 1n *7~|

200 300 400

Sputtering time, s

600

Рис.3.9. Профили электроположительных элементов в пластине КИИ 2 (имплантация ионов Е+, Е- 40 кэВ, D-3x1014 см"2)

100 200 300 400 500 Sputtering time, s

600

Рис.3.10. Профили электроотрицательных элементов в пластине КНИ 2 (имплантация ионов F4", Е- 40 кэВ, D-ЗхЮ14 см"2)

ION RANGES

Ion Kaiifci- = 330 A Straggle s 131 A

Skewreis =124.5790 Kurtosis = 332.3693

2Sxl0 24x10J 20x10 1 16x10 4 12x10 * 8x10 4 4x10"

OA - Tai get Depth- 41M A

Рис.3.11. Расчетный профиль распределения имплантированных

ионов Si+ (Е- 35 кэВ)

(Л Cl О

S

с

10°

о 100 200 300 400 500 600

Sputtering time, s

Negative mode

I SOI Si pi #4~|

103

Рис.3.12. Профили электроотрицательных элементов в пластине КНИ 3 (имплантация ионов Si ', Е~ 35 кэВ, 1У~ 1 х 1016 см 2)

200 300

Sputtering time, s

Рис.3.13. Профили электроположительных элементов в пластине КПП 3 (имплантация ионов 57+, Е- 35 кэВ, 0-1 хЮ16 см"2) Из экспериментальных профилей ВИМС изотопов 28311, 7967' и 3067' уста-

оо

новлено, что распределение избыточных атомов 67 соответствует профи-

у О

лю имплантированных ионов 67 , т.е. существенного их перераспределения в результате отжига не происходит.

N1IIS «1 Квадрат ЮООМОООмкм (поото^с меньшей

NIIIS «1 Квадрат ЮООЧОООмкм

| Si layer] fsiol [ Si substra

'^«LTkj

-w -

■

_ ■ "S ---"S

400 600

Т1те, э

(а) (б)

10 эл

Рис.3.13.1. Профили концентрации изотопов ' 67 в пластине К11И 3

а- Профиль концентрации изотопа

67;

б-11рофили концентрации изотопов 2931 и

оерп I) сю , |гп

Рис.3.13.2. Количественный профиль изотопа избыточного 28

Из анализа спектров ВИМС получено: В приборном слое структуры КИИ производства Зокес обнаружено при-

17 1

сутствис атомов фтора концентрацией 10 см" ;

- В структурах КНИ 3, КНИ 2 в приграничной области "приборный слой/захороненный диэлектрик" концентрация кремния (германия) составляет ~Ю20см"3;

-В объеме захороненного диэлектрика структуры КНИ 3 концентрация

1 (\ т

фтора составляет 10 см" ;

Как следует из сравнения рис. 3.6, 3.13.2 с 3.5, 3.11, соответственно, для образцов КНИ, с захороненным диэлектриком имплаптировапиым ионами 57+, имеет место эффект «стекания» имплантированных атомов к границе 5//5/0;?. Причем для структур имплантированных ионами Се этот эффект проявляется в большей степени, поскольку наблюдается повышенная концентрация как на 1ранице сращивания, так и на 1ранице «захороненный диэлектрик/подложка».

Можно отметить следующие особенности профиля 74Ое в структуре КНИ (доза имплантации 1 -10 см" )

1. Наличие трех максимумов распределения Се, первый остается на первоначальной глубине имплантации Се, второй на границе сращивания ¿7/6702 (¿/ - 200нм), третий па границе «захороненный диэлектрик/подложка» (с1 ~ 600^650 нм). Кроме того, наблюдается проникновение Се ив верхний приборный слой 57.

Первая особенность - наличие максимума вблизи границы сращивания наблюдалась и в работе |66], где методом резерфордовского обратного рассеяния было обнаружено смещение максимума имплантированного в ¿>702 Ое к границе приборного слоя 57. Для объяснения этого эффекта в работе [66] предложена модель ускоренной сегрегации через расплав Ое, удовлетворительно объяснившая накопление Ое на границе 57/5702. Вторая особенность, т.е. накопление Ое на границе 5702/57, удаленной от поверхности сращивания, в работе [66] не рассматривается. В работе [66] исследуется формирование однородного распределения Ое в слое 5702 путем использования значительно более высокой энергии имплантации ионов Ое - 230 и 450 кэВ. Поэтому результаты работы [67] следует трактовать как возникновение провала в монотонном распределении Ое вблизи границы 5/02/5/ с падением концентрации примерно в пять раз от ее максимального значения. В настоящей работе спа/1, концентрации Ое от максимального значения в направлении второй границы 5702/57 (с! ~ 500^600 им) составляет около 104 раз, поэтому дальнейший всплеск и накопление Ое на второй границе 5702/57 требует дополнительного рассмотрения и обсуждения.

3.4 Исследование электрофизических свойств диэлектрических слоев тестовых структур МОП методом ВФХ

3.4.1 ВЧ ВФХ структур МОП с диэлектриком аналогичным захороненному и подзатворному до и после облучения ИИ

Интегральной оценкой качества структуры КНИ являются электрические характеристики, такие как величина встроенного заряда в скрытом диэлектрике, плотность поверхностных состояний на границе раздела приборного слоя и диэлектрика. Определение электрических характеристик КНИ пластин является трудной задачей ввиду малой толщины пленки кремния и сложной составной структуры материала. Поэтому элек-

трические свойства структур КИИ обычно получают из анализа тестовых МОП приборов или интегральных схем, формируемых на пластинах-спутниках.

Объектами исследований служили тестовые структуры МОП на подложках п-типа с модифицированным имплантацией примесей термическим 5Ю?. Измерения методом ВЧ ВФХ проводились на прецизионном ЬСЯ-метре с помощью зондовой системы.

Целью измерений являлось исследование влияния дозы имплантации ионов 57', Се , Е на сдвиг напряжения плоских зон тестовых структур МОП, определяющий величину встроенного заряда в диэлектрическом слое 5702.

Результаты измерений ВЧ ВФХ для тестовых структур с термическим и пирогенным окислом, модифицированным имплантацией ионов 57

Рис.3.14. ВЧ ВФХ тестовых структур МОП ( пирогенный окисел, толщина 30 нм)

1-неимплантированная структура

2-структура с диэлектриком, модифицированным ионной имплантацией

_1_ 13 2

(Параметры ионного облучения: 57 доза 5x10 см" )

Рис.3.15. ВЧ ВФХ тестовых структур МОП (термический окисел, толщина 300 нм)

1-неимплантированная структура

2-структура с диэлектриком, модифицированным ионной имплантацией

_i_ 13 2

(Параметры ионного облучения: Si доза 5x10 см" )

Как следует из рис. 3.14,3.15 имплантация малых доз ионов Si приводит к накоплению положительного заряда в окисле (это выражается в сдвиге ВЧ ВФХ в сторону меньших напряжений). Аналогичный эффект наблюдался при имплантации малых доз ионов Се . Для МОП структур с диэлектриком, модифицированным имплантацией больших доз ионов Si , Ge (1хЮ см" ), наблюдается сдвиг ВЧ ВФХ в сторону больших напряжений. Такой сдвиг обусловлен накоплением отрицательного заряда в диоксиде кремния, модифицированном имплантацией ионов Si+, Ge+ вышеприведенными дозами. ВЧ ВФХ, соответствующие МОП структурам с диэлектриком, имплантированным ионами Si дозой 1хЮ16 см"2, представлен на рис. 3.16. Сходный вид имеют ВЧ ВФХ структур МОП с диэлектриком, имплантированным Се .Из анализа ВЧ ВФХ определены величины фиксированного заряда, соответствующие различным режимам модификации для термического и пирогенного окисла. Обозначения пластин даны в соответствии с табл. 2.1. Из анализа рис. 3.14 3.16, был рассчитан индуцированный имплантацией фиксированный заряд. Результаты расчета представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Величина фиксированного заряда в диэлектрических слоях структур МОП, диэлектрические слои которых модифицированы имплан-

тацией ионов 57+, Се

Описание Доза Фиксированный заряд

образца имплаитации, см"2 6702, индуцированный имплантацией 10"8 Кл/см2

ЭЛУ-07 5x1013^ 1.2

ЭЛУ-03 1хЮ16 -0.92

(имплантация ио-

нов 57)

ЭЛУ 01 5хЮ13 2

ЭЛУ 09 1хЮ16 1.1

(имплантация

ионов Се1)

Рис.3.16. ВЧ ВФХ тестовых структур МОП (термический окисел, толщина 300 нм)

1-неимплантированная структура; 2-структура с диэлектриком, модифицированным ионной имплантацией

I I / л

(Параметры ионного облучения: 57 доза 1^10 см" )

Для ионов фтора выявлен сдвиг ВЧ ВФХ в сторону больших напряжений, что свидетельствует о накоплении отрицательного заряда.

Рис. 3.17. БЧ ВФХ тестовой МОП структуры (термический окисел, толщина 300 им)

1- псимплаитированпая структура

2- структура, подвергнутая модификации методом ионной имплантации СР' доза 5x1014 см"2)

Рис. 3.18. ВЧ ВФХ тестовой МОП структуры (термический окисел, толщина 300 нм)

1- неимплантированная структура

2- структура, подвергнутая модификации методом ионной имплантации (Г* доза 1 х 1016 см"2)

Из анализа рис. 3.17 3.18, был рассчитан индуцированный имплантацией фтора фиксированный заряд. Получено, что имплантация фтора приводит к формированию отрицательного заряда ~ 10 *Кл/см2.

3.4.2 Результаты измереиий ВЧ ВФХ тестовых структур МОП с диэлектриком аналогичным захороненному после облучения ИИ

Объектами исследований служили тестовые структуры МОП на подложках и-типа с модифицированным имплантацией примесей термическим окислом ЗЮ^.Целью измерений являлось исследование влияния дозы имплантации ионов Л7 , Се , Е на сдвиг напряжения плоских зон тестовых структур МОП после облучения. Измерения методом ВЧ ВФХ проводились на прецизионном ЬСЖ-метре с помощью зондовой системы. Измерения проводились после набора доз облучения 0,3 6Ус, 0.5 6 Ус ,1 6Ус. Результаты измерений ВЧ ВФХ для тестовых структур приведены на

Рис.3.19. ВЧ ВФХ неимплантированной структуры для различных доз ИИ: 1 - до облучения; 2 - доза облучения 0,3 6Ус; 3 доза облучения 0.5 6 Ус; 4 доза облучения 1 6Ус

дозами ИИ: 1 до облучения; 2 доза облучения 0,3 6Ус; 2 доза облучения 0.5 6 Ус; 4 доза облучения 1 6Ус

с,пф т II -*■ г

100 -» • ^йифяз *т И

—»—1

——. 3

//у

-4 -з -2 1 2 3

Рис.3.21. ВЧ ВФХ структуры МОП, с диэлектриком имплантированным

16 2

ионами Р (доза имплантации 1 х 10 см" ) после облучения различными

дозами ИИ

1 до облучения; 2 доза облучения 0,3 6Ус; 3 доза облучения 0.5 6 Ус; 4 доза облучения 1 6Ус

Рис.3.22. ВЧ ВФХ структуры МОП, с диэлектриком имплантированным ионами БГ (доза 1 х 10'6 см 2) после облучения различными дозами ИИ 1 до облучения; 2 доза облучения 0,3 6Ус; 4 доза облучения 0.5 6 Ус; 4 доза облучения 1 6Ус

Из анализа рис. 3.19-3.22, был рассчитан накопленный в результате воздействия ИИ заряд в диоксиде кремния структур МОП. Результаты расчета представлены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Индуцированное воздействием ИИ изменение величины фиксированного заряда структур МОП, диэлектрические слои которых модифицированы имплантацией ионов , Ое\ Г*

Описание образца Доза имплантации, -2 СМ Фиксированный заряд 10-11<л/см2

неимплаптировапная структура — 1.5

ЭЛУ 03 (имплантация ионов ЯГ) 1хЮ16 0.4

5x1013 0.9

ЭЛУ-01 (имплантация ионов Се+) 1 х 1016 0.7

5хЮ13 1.1

ЭЛУ-03 (имплантация ионов Р ) ЗхЮ14 0.8

1хЮ16 0.6

3.4.3 Результаты измерений ВЧ ВФХ тестовых структур МОП с диэлектриком аналогичным подзатворному после облучения ИИ

Объектами исследований служили тестовые структуры МОП на подложках п-типа с модифицированным имплантацией примесей пирогенным окислом 5702-Цслыо измерений являлось исследование влияния дозы имплантации ионов 57+, Се+, Г* на сдвиг напряжения плоских зон тестовых структур МОП после облучения. Измерения методом ВЧ ВФХ проводились на прецизионном ЬСК-метрс с помощью зондовой системы. Измерения проводились после набора доз облучения 0,3 6Ус, 0.5 6 Ус ,1 6Ус. Результаты измерений ВЧ ВФХ для тестовых структур приведены на рис.3.23-3.25.

С/С та*

Рис.3.23. ВЧ ВФХ неимплантированных структур для различных доз ИИ: 1 - до облучения; 2 - доза облучения 0,3 6Ус; 3 доза облучения 0.5 б Ус; 4 доза облучения 1 6Ус Кремний КЭФ 4,5, толщина диэлектрика 30 им

Рис.3.24. ВЧ ВФХ структуры МОП, с диэлектриком имплантированным ионами ве+ (доза имплантации МО16см"2) после облучения различными дозами ИИ

1 до облучения; 2 доза облучения 0,3 6Ус; 3 - доза облучения 0.5 6 Ус; 4 - доза облучения 1 6Ус Кремний КЭФ 4,5, толщина диэлектрика 30 нм

Рис.3.25. ВЧ ВФХ структуры МОП, с диэлектриком имплантированным ионами 81 (доза 1x10 см"') после облучения различными дозами ИИ 1 - до облучения; 2 - доза облучения 0,3 6Ус; 3 доза облучения 0.5 6 Ус; 4 доза облучения 1 6Ус Кремний КЭФ 4,5, толщина диэлектрика 30 нм

Из анализа рис.3.23-3.25, был рассчитан накопленный в результате воздействия ИИ заряд в диоксиде кремния структур МОП. Результаты расчета представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Индуцированное воздействием ИИ изменение величины фиксированного заряда структур МОП, диэлектрические слои которых модифицированы имплантацией ионов 57+, Се+

Описание образца Доза имплантации, „ -2 см Фиксированный заряд SiOp, 10"7 Kji/CM

неимплантированная — 3.4

структура

ЭЛУ-07 (имплантация ионов Si') 1хЮ16 0.7

5x10й 2.1

ЭЛУ-09 (имплантация ионов Ge+) 1 хЮ16 0.6

5xlO,J 2.5

3.4.4 Расчет плотности поверхностных состояний на границе раздела Si /SiOp до и после воздействия ИИ

Объектами исследований служили тестовые структуры МОП/КНИ с модифицированным имплантацией примесей захороненным диэлектриком SiOp. Целью измерений являлось исследование влияния имплантации ионов Si\ Ge , F1 дозами соответствующими наименьшему накоплению встроенного заряда на электрические параметры границы Si/SiOp тестовых структур МОП/КНИ после облучения. В качестве параметра определяющего качество границы выбрана плотность поверхностных состояний (1I1IC). Измерения 1111С методом Термана для верхней половины запрещенной зоны проводились на прецизионном LCR-метре с помощью зоидо-вой системы. Измерения проводились до и после набора дозы облучения 1 6Ус. Результаты измерений представлены на рис. 3.26-3.29. Из них видно, что наблюдается преимущественная энергетическая локализация поверхностных состояний вблизи дна зоны проводимости /1ля структур КНИ, модифицированных имплантацией Ge , F'. Получено также, что для мо-

дифицированных имплантацией структур наблюдается снижение деградации ППС вследствие ИИ, причем в большей степени этот эффект выражен при имплантации ионов 57+.

1Е+12 -^эв^см"2

1Е+11

1Е+10

1Е+09

9

+0 01

03

о О

Е-Е,эв

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Рис.3.26. Распределение ППС в запрещенной зоне кремния до воздействия ИИ для тестовых структур МОП/КНИ с различными дозами фторирования диэлектрика:

0 - неимплантированный диэлектрик

1 - доза имплантации 1 х 1015 см"2 3 - доза имплантации 3 х 1013 см~я

1Е+12 ч №5,эв-1 СМ 2

: о0

1Е+11

1Е+10

1Е+09

о

о □

О 1=1 х □ >1

□

.д.

□ 1 ХЗ

Е-Еуэв

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Рис.3.27. Распределение ППС в запрещенной зоне кремния после воздействия ИИ для тестовых структур МОП/КНИ с различными дозами фторирования диэлектрика:

0 - неимплантированный диэлектрик

1 - доза имплантации 1 х 1015 см'2 3 - доза имплантации Зх 1015 см"?

Nss.se 4 см1

от

Я*

Ы^ув

Рис.3.28. Распределение ППС в запрещенной зоне кремния до воздействия ИИ для тестовых структур МОП/КНИ, с модифицированным имплантацией диэлектриком: О - неимплантированный диэлектрик

- имплантированный ион Я/ доза имплантации 1 х 1016 см"2 ве - имплантированный ион ве доза имплантации 1хЮ16 см"7

•„з-гЕ^зз

1.34Е»п

¡.ОЗЕ-Ю

. » О ■ * ■

* т

(3 й

0*'+ ¿7+

Е-Е, )з

асо о,зз о.« о аз о.зо

Рис.3.29. Распределение ППС в запрещенной зоне кремния после воздействия ИИ для тестовых структур МОП/КНИ, с модифицированным имплантацией диэлектриком: О - неимплантированный диэлектрик

1 £ 9

57 - имплантированный ион 57, доза имплантации 1><10 см" Се - имплантированный ион Се, доза имплантации 1 х 1016 см"2

В табл. 3.4.1 приведены значения объемного заряда в диэлектрике, накопленного в результате воздействия ИИ для структур КНИ, имплантированных ионами 57+,Сет,/г+

Таблица 3.4.1 Индуцированное воздействием ИИ изменение величины фиксированного заряда структур КНИ/МОП диэлектрические слои которых модифицированы имплантацией ионов 57"^ Се+,

Описание образца Доза имплантации, см"2 Фиксированный заряд 570?, 10"7 Кл/см2

неимплантированная — 1.8

структура

КНИ 1хЮ1Ь 0.5

(имплантация ионов 5/')

КНИ 1хЮ16 0.6

(имплантация ионов Се1)

КНИ 1х1015 0.8

(имплантация ионов Г*)

На основании электрофизических измерений, проведенных методом ВЧ ВФХ для тестовых МОП и КНИ МОП структур, сделаны следующие выводы:

- модификация слоев структур МОП ионной имплантацией изменяет чувствительность напряжения плоских зон к воздействию ИИ;

- минимальное изменение фиксированного заряда после воздействия ИИ зафиксировано для ионного облучения с параметрами: 67', Се дозой МО16 см"2;

- Энергетический спектр ПС исходных структур до воздействия ИИ имеет максимум, соответствующий состояниям Ес -0,25 эВ;

- Структуры с диэлектриком, имплантированным ионами Се+,17+, имеют на границе 67/6707 поверхностные состояния, энергетически расположенные у потолка запрещенной зоны;

- Для структур с диэлектриком, модифицированным ионами Ое+, обнаружены высокие значения 1111С на границе 57/6707, что связано с явлением сегрегации атомов Се \ выявленным методом ВИМС;

- Имплантация ионами Г*, 57+, Ое+ снижает деградацию ППС при воздействии ИИ примерно на порядок но сравнению с исхо/щыми структурами;

- Наименьшие значения ППС до и после воздействия ИИ получены для структур с диэлектриком, модифицированным ионами бГ.

Выводы к главе 3

1. Для структур с модифицированным имплантацией 57', Се' диэлектриком установлены особенности спектров ФЛ (вид генерируемых дефектов от дозы имплантации и сорта имплантируемых ионов). Исследования проводились до отжига тестовых структур до и после воздействия ИИ.

-Для структур 5702/57 с диэлектриком, подвергнутым имплантации дозой 5Т0И см"2, превалирующим видом дефектов является нсмостиковый атом кислорода, а воздействие ионизирующего излучения усиливает полосу ФЛ, связанную с этим дефектом. При повышении дозы имплантации

■ь 16 2

ионов/7 до 1*10 см" выявлено увеличение количества безызлучательных центров рекомбинации в спектре ФЛ.

-Для структур, подвергнутых имплантации ионов 57', Се\ установлено преимущественное возникновение дефектов типа НКМ и НКД; 2. Методом ВИМС установлено: -Часть атомов фтора, имплантированных в захороненный диэлектрик в составе композиций КНИ, покидает его при высокотемпературном отжиге.

-Для образцов КНИ с захороненным диэлектриком, имплантированным ионами 571, Се' после высокотемпературного отжига зафиксирован эффект «стекаиия» атомов к границе 57/57й2. Причем для структур имплантированных ионами Се+ этот эффект проявляется в большей степени. В структурах КНИ, полученных методом сращивания, обнаружено накопление атомов Се вблизи обеих границ 5/07/5г (границы с подложкой и границы сращивания), причем для второй границы выявлен пик концентрации ве на два порядка превышающий концентрацию Се в смежном 5702. 3. Методом ВЧ ВФХ для структур МОП и КНИ/МОП получено:

-имплантация ионов 57', Се' дозами 1Т0 16 см"2 приводит к значи-

тельному снижению величин накопленного заряда (для термического и пирогениого окисла) при воздействии ИИ.

-для структур с диэлектриком модифицированным ионами Ge+, обнаружены высокие значения ППС па границе Si/Si02, что связано с явлением сегрегации агомов Ge+, выявленным методом ВИМС. - имплантация ионами F+, Si+, Ge+ снижает деградацию 111 1С при воздействии ИИ примерно на порядок по сравнению с исходными структурами;

-наименьшие значения ГШС до и после воздействия ИИ получены для структур с диэлектриком, модифицированным ионами Si1.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВСТРАИВАНИЯ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ В СТРУКТУРУ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Как было показано в главе 3 имеет место снижение величины накопленного заряда в структурах 5702/5Ч, модифицированных имплантацией ионов 67', Ое[ , по сравнению с исходными структурами при воздействии ИИ. Для того, чтобы раскрыть механизмы наблюдаемого полезного эффекта необходимо определить энергетически выгодные геометрические конфигурации дефектов, индуцированных имплантацией ионов 6Г, Ое+, Г* и их электронные свойства. Для решения этой задачи нами были предприняты компьютерные расчеты с применением методов квантовой химии и Монте-Карло. Выше мы показали, что при имплантации ионами фтора наблюдается формирование дефектов типа 11АК, которые служат центрами захвата отрицательного заряда. Поэтому в данной главе проводится моделирование встраивания атомов фтора в матрицу 6/07 и рассмотрение образования дополнительных состояний в запрещенной зоне диоксида кремния для наиболее выгодной геометрической конфигурации. В случае имплантации ионов 67 и Ое в диоксид кремния возможна более сложная ситуация: а именно формирование иаиокластеров кремния и германия при высокотемпературном отжиге, поэтому использован комплекс квантово-химических расчетов и метода Монте-Карло для исследования возможности формирования нановключений (нанокластеров) из имплантированных атомов.

4.1 Атомы фтора

Рассматривалось два возможных механизма встраивания атома фтора в структуру диоксида кремния. Первый механизм встраивания связан с замещением атома кислорода атомом фтора и образованием связи с двумя атомами кремния, второй механизм связан с разрывом одной связи фтора с

атомом кремния и образованием атома немоетикового кислорода в соответствии с формулой:

(4.1)

Для изучения процесса встраивания атома фтора в структуру диоксида кремния было проведено кваитово-химическое моделирование ячейки диоксида кремния со встроенным атомом фтора. Расчеты проводились с использованием программного пакета [55].

Для моделирования структуры диоксида кремния использовалась его полиморфная модификация (3-крисгобалит. Кристаллическая структура (3-кристобалита принадлежит к кубической сиигоиии с пространственной группой Гс13т. В элементарной ячейке содержится 8 формульных единиц. Многоэлектронное уравнение Шредингера решалось методом функционала плотности [68|. В этом приближении задача сводится к решению систем самосогласованных уравнений Кона-Шэма. Количество уравнений в системе Копа-Шэма определяется количеством валентных электронов и количеством атомов в ячейке. Вычисления проводились только для валентных электронов, влияние ионных остовов учитывалось по методу псевдопотенциала [69|.

Вычисления проводились в обратном ^-пространстве. Точность выполнения расчета полной энергии структуры определяется количеством точек разбиения первой зоны Бриллюэна в процедуре интегрирования по обратному пространству (количество точек), размерностью базисного набора плоских волн, по которому раскладываются волновые функции, разностью значений полной энергии структуры в самосогласованном расчете в последней итерации.

В программном пакете предусмотрена возможность самостоятельного определения сетки к-точек в обратном пространстве либо их автомагического определения с помощью метода Моикхорста-Р1ака. В соответствии с

этим методом первая зона Бриллюэиа разбивается сеткой размерностью пк1*пк2*пкЗ. Произведение этих трех чисел ограничивает максимальное число используемых при вычислениях к-точек. Учет симметрии ячейки приводит к уменьшению количества к-точек без потери точности.

Размерность базисного набора плоских волн, участвующих в разложении волновых функций, определяется значением энергии ЕсШо//, называемой энергией отсечки. Для проведения расчетов нами было выбрано значение этой величины 20 Яу.

Результатом решения системы одноэлектроппых уравнений Шре-диигера являются волновые функции и собственные значения энергии. С их помощью вычисляется значение полной энергии системы. Точность вычисления этой величины определяется ограничениями, накладываемыми на сходимость функционала полной энергии. В качестве критерия сходимости вычислений нами было использовано значение 10" эВ.

Для ячейки, содержащей дефект, проводилась релаксация положений атомов в ячейке. Одним из этапов этого расчета является процедура расчета сил, действующих на атомы. Она проводится по окончании самосогласованного вычисления полной энергии. Если суммарное значение силы, действующей на атомы, превышает эту величину, то положение атомов в ячейке меняется и процедура самосогласованного расчета повторяется уже с новыми положениями атомов в ячейке. Критерием завершения процедуры релаксации является снижение величины суммарной силы до величины 10"4эВ/ао.

С учетом того, что в элементарной ячейке (3-кристобалита содержится 8 формульных единиц, эмпирическая формула бездефектной ячейки диоксида кремния запишется в виде 818016. Тогда эмпирическая формула ячейки, в которой один атом кислорода замещен атомом фтора может быть записана 818015Р (I механизм встраивания), а для ячейки в которой атом фтора соединяется только с одним атомом кремния с образованием немос-тикового кислорода-81801бР (11 механизм встраивания) (рис.4.1).

4

Рис 4.1. Структурные модели, отвечающие различным механизмам встраивания фтора

а- ат ом фтора образует связь с двумя атомами кремния б атом фтора образует связь с одним атомом кремния

Энергетический выигрыш при встраивании атома фтора по второму механизму по отношению к первому запишется в виде:

АЕ2,1 =(Едеф (Едеф (ЯцО^+Ет (4.2)

где Е(О) -полная энергия отдельного атома кислорода (О); Едеф(^ЬО¡вЕ), Едеф(БцОцЕ) полные энергии ячеек с соответствующей эмпирической формулой, содержащих атом фтора;

В таблице 4.1 приведены полные расчетные энергии соответствующих ячеек

Эмпирическая формула Энергия, эВ

-8451.290

818015Р -8018.202

О -427.061

Подставляя значения из таблицы 4.1 в формулу (4.2) получаем, что встраивание по второму механизму более энергетически выгодно (выигрыш в энергии составляет 6.02 эВ).

На рис.4.1 представлены ячейки диоксида кремния, соответствующие двум вышеупомянутым механизмам встраивания фтора.

Далее исследования проводились для ячейки, в которой атом фтора занимает более энергетически выгодное положение.

На рис.4.2,4.3 приведены энергетические спектры электронных состояний бездефектной и содержащей атом фтора ячейки диоксида кремния.

(Л

о

111и

,1