Электрофизические свойства ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом ионной имплантации и водородного переноса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра физики полупроводников Квалификационная работа на соискание степени бакалавра Электрофизические свойства ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом ионной имплантации и водородного переноса Шабалкин Михаил Никитович Научный руководитель:

к.ф-м.н. Тысченко Ида Евгеньевна Новосибирск — 2013 год

• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Механизм анодного окисления кремния
• 1.2 Влияние толщины плёнки кремния на её электрофизические свойства
• 2. Методика эксперимента
• 2.1 Создание структур «кремний на изоляторе»
• 2.2 Анодное окисление структур «кремний на изоляторе»
• 2.3 Измерение методом эллипсометрии
• 3. Результаты
• 3.1 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе» в условиях анодного окисления
• 3.2 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе», содержащих Ge на границе сращивания Si/SiO₂, в условиях анодного окисления
• Выводы
• Список литературы

«Кремний на изоляторе» (КНИ) — технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монокристаллических кремниевых пластин. В качестве диэлектрика обычно выступает диоксид кремния SiO₂. Микросхемы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе», являются весьма перспективными для создания высокоскоростных СБИС. КНИ-структуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с объемным кремнием: существенное уменьшение величины емкости на подложку; повышение радиационной стойкости структур; отсутствие тиристорного эффекта (эффекта защелкивания); снижение токов утечки через подложку. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров [1−4].

В настоящее время в мире используются два основных метода создании пластин КНИ. Первый из них был разработан в начале 80-ых годов прошлого столетия и заключается во внедрении в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by OXYGEN — SIMOX) или азота (SIMNI) с последующим синтезом скрытого окисла при высокотемпературном (1300−1400^оС) отжиге. Другой способ создания КНИ-структур был предложен в 1986 г. М. Брюэлем [6], а именно — метод водородного переноса кремния (Smart Cut® SOI), состоящий в прямом сращивании облучённой водородом донорной пластины кремния, покрытой слоем термического SiO₂, с опорной кремниевой подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем её скола имплантированным водородом. Метод водородного переноса устранил недостатки присущие методу SIMOX. Основные его достоинства — существенно более низкая плотность дефектов в рабочих слоях, являющихся серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов, а также более качественная граница раздела <�отсечённый кремний>/<�захороненный оксид>.

Наметившиеся в последние годы тенденции в создании быстродействующих интегральных схем требуют снижения размеров элементов до нанометровых величин. Поэтому создание структур КНИ субнанометровых и нанометровых толщин является важной технологической задачей. Её решение связанно с изучением целого ряда физических задач, возникающих при уменьшении толщин плёнок кремния до нанометровых размеров. Одной из них является исследование процесса анодного окисления КНИ-структур. Обычные методы окисления, разработанные для объёмного кремния, являются высокотемпературными и характеризуются образованием дефектов окисления: скопления междоузельных атомов, дефекты упаковки и другие, размеры которых могут достигать 1 мкм. Эти методы окисления становятся неподходящими, когда толщины плёнок кремния достигают субнанометровых размеров. В результате, возникает проблема разработки и исследования новых методов утончения слоев кремния до нанометровых величин.

Привлекательность метода анодного окисления в данном случае оправдана тем, что он является низкотемпературным методом (процесс анодного окисления протекает при комнатной температуре) и высокоточным (точность толщины окисленного слоя может составлять несколько ангстрем). Однако процесс анодного окисления КНИ-структур вплоть до настоящего времени никем не изучался. С другой стороны, есть все основания предполагать, что этот процесс будет отличаться от процесса анодирования объемного кремния. Это обусловлено тем, что процессы протекания тока в тонких плёнках существенно отличаются от процессов протекания тока в объёмном кремнии [12−13].

Целью данной работы является исследование электрофизических свойств ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом водородного переноса, в условиях анодного окисления.

1. Обзор литературы

1.1 Механизм анодного окисления кремния

Анодное окисление или анодирование — процесс образования плёнки продуктов окисления анодно поляризуемого электрода на его поверхности. При анодировании кремния в электролите, содержащем воду, реакция окисления на аноде происходит по следующей формуле:

Si + 2H₂O + 4h⁺ SiO₂ + 4H⁺ (1)

В работе проводились исследования анодного окисления очищенных пластин кремния n-типа ориентацией (100) с удельным сопротивлением 5 Омсм. Исследование проводились в электролитах с разным содержанием воды в режиме постоянного тока (гальваностатическом режиме). Были получены типичные кривые анодного окисления U (разница текущего напряжения между электродами и напряжением в момент начала анодирования) как функция от времени анодирования. Эти кривые характеризуются наличием двух участков. Начальный участок — нелинейный. На нем наблюдается быстрое увеличение напряжения в первые минуты окисления, которое постепенно сменяется более медленным участком. Затем начинается линейный участок зависимости U (t). Различие этих участков заключается в различиях механизмов окисления, которые будут рассмотрены далее. Так же в работе были получены кривые зависимости толщины образовавшегося окисла от времени анодного окисления, которые имеют тот же характер, что и кривые U (t).

В работе приводится соотношение между толщиной окисла и разницей конечного и начального напряжений между электродами, для электролита, состоящего из этиленгликоля, 0,04% KNO₃ и 0,5−3% H₂O. Это соотношение составляет 0,6 нм/В для окисла. Так же в работе приведено отношение толщин образовавшегося окисла и затраченного для этого кремния. Для образования плёнки окисла толщиной 1 нм расходуется 0,4 нм кремния. Таким образом, соотношение между разницей конечного и начального напряжения и толщиной окисленной плёнки кремния составляет 0,24 нм/В.

В работах [7, 9] рассматривается механизм роста анодного окисла на полупроводниках. В общем случае, при анодном окислении в тонком сплошном слое оксида, покрывающем образец, устанавливается электрическое поле, под действием которого ионы оксидируемого материала или кислородосодержащие ионы (или те и другие одновременно) движутся через оксид. Заряженные частицы могут передвигаться от одной границы к другой, или посредством «эстафетной» передачи ионов. В этих работах определяется место взаимодействия атомов материала с окислителем, для различных материалов (кремний, германий, арсенид галлия, антимонид индия).

В работе с целью определения механизма анодного окисления проводилось сравнение распределения изотопа ³⁰Si, имплантированного в кремний, с распределением ³⁰Si в анодном оксиде после анодного окисления кремния имплантированного изотопом ³⁰Si. Результаты показывают, что последовательность атомов кремния не изменилась после анодирования. Это означает, что-либо через оксид двигаются атомы кислорода, либо атомы кремния перемещаются не меняя последовательность. Также в данной работе был проведен опыт с мечеными электролитами, заключающийся в последовательном выращивании окисла в электролитах на основе H₂¹⁸O и H₂¹⁶O и последующем определении распределения ¹⁸O и ¹⁶O в оксиде методом резерфордовского обратного рассеяния. В результате было показано, что порядок местоположения ¹⁸O и ¹⁶O в оксиде соответствует последовательности оксидирования в электролитах на основе H₂¹⁸O и H₂¹⁶O. Это показывает, что оксидирование может идти на границе оксид-электролит за счет движения катионов и на границе оксид-полупроводник за счет эстафетной передачи кислорода. Таким образом, методика меченых электролитов для кремния дает возможность исключить миграцию кислорода через собственный окисел неэстафетным способом.

В работе были проведены эксперименты методом меченного слоя, когда на часть образца термическим испарением с вольфрамовой проволоки напыляли слой платины толщиной ~60A. Затем выращивали анодный окисел толщиной 500−1000 A, растворяли его в разбавленной фтористоводородной кислоте и повторяли анодное оксидирование. Оксидирование проводили в гальваностатическом режиме в электролитах, не растворяющих образец. После первого окисления на участках образца с меткой оксид имел большую толщину, чем на участках без метки из-за каталитического действия платины. После второго оксидирования на кремнии разница толщин оксида сохраняется: метка остается на поверхности образца. В случае германия после второго окисления оксид по всей поверхности образца имеет одну и ту же толщину: метки на поверхности образца нет.

Таким образом, установлено, что для кремния рост анодного окисла в основном обусловлен реакцией на границе оксид-электролит, то есть за счет движения через окисел катионов оксидируемого материала. В случае германия большую долю в формирование окисла вносит реакция на границе полупроводник-окисел.

Во второй стадии анодного окисления кремния, при зарастании плёнкой окисла больше некоторой критической величины, скорость для кремния определяется диффузией ионов через окисел. В то время как в первой стадии окисления, когда при подаче напряжения на электроды поверхность анода начинает взаимодействовать с ионами электролита и зарастать плёнкой окисла, скорость реакции определяется такими электрохимическими параметрами как скорость ионизации атомов анода, концентрацией и подвижностью носителей заряда, скоростью подвода ионов электролита и другими, а также качеством поверхности: количеством и величиной неровностей, дефектов, на которых начинается зарождение плёнки окисла. Зачастую окисление начинается с участков нарушенной поверхности, особенно это характерно для образцов n-типа, для которых дырки, необходимые для протекания анодного тока, являются неосновными носителями заряда.

В работе приведены выражения для анодного тока и скорости анодного окисления. Сказано, что рост анодных плёнок, связанный с движением ионов в ней, идет при высокой напряженности электрического поля и зависимость плотности ионного тока от напряжения поля не линейная, а экспоненциальная:

i_f=Aexp (Bж)= NVexp[(-E⁰+zaU/)F/RT] =i⁰exp (zFaU/RT), (2)

где жнапряженность электрического поля в плёнке, жU/; U — падение напряжения в плёнке; - толщина плёнки; a — расстояние перехода иона за один акт его движения; - коэффициент перехода иона (=0,5); z — его заряд.

Постоянная, А в обозначениях Мотта равна:

A= NVexp[(-W_d+W_a)Na/RT] или A= i⁰ = NVexp (E₀F/RT), (3)

где — частота колебаний атомов или молекул (около 10¹² Гц); N — число ионов, приходящихся на единицу поверхности анода; V — объем анодной плёнки, образованный каждым ионом; W_d — разность между энергиями иона металла в двух положениях; W_a — дополнительная энергия активации, необходимая для перемещения иона из одного положения в другое на расстояние a; E⁰ — стандартный потенциал анода; Na — число Авогадро.

При поляризации электрода постоянным током скорость роста толщины плёнки линейно зависит от плотности анодного тока

/t = iM/nF, (4)

где t — время, с; i — плотность анодного тока, А/см²; M — молекулярная масса оксида в плёнке; - эффективность тока; n — чисто электронов, теряемых атомом анода; F — число Фарадея, Кл/моль; - плотность плёнки г/см³.

На кинетику роста анодных плёнок также влияет частичное растворение продуктов окисления, которое обуславливает остаточный или коррозионный ток.

В этих условиях приращение плёнки требует увеличения напряжения U. Скорость увеличения равна:

U/t=(U/)(/t)=difiM/nF. (5)

Отсюда, при постоянном значении дифференциальной напряженности поля _dif =U/ следует линейная зависимость скорости роста падения напряжения в плёнке от её толщины или что эквивалентно, — от времени поляризации анода постоянным током. Отклонения от такой линейности свидетельствуют об изменении или состава плёнки, или её электронной проводимости, или растворимости соединения плёнки. Изменение скорости увеличения напряжения U/t может также наблюдаться из-за изменения величины анодного тока, протекающего через исследуемую поверхность. Например, в работе исследуется неоднородность фронта травления в тонких пластинах кремния

n-типа. В работе показано, что высокое сопротивление (являющееся следствием небольшой толщины пластины) приводит к куполообразности фронта анодного травления, когда на краях стравливается существенно больше, чем в центре. Т. е. величина анодного тока, протёкшего за время травления через поверхность отделённую от электрических контактов тонким слоем кремния, существенно меньше, чем через поверхность более близкую к электрическим контактам, или имеющим большую толщину кремния отделяющего исследуемую поверхность от них. Так же в работе показано что эффект сильнее выражен в образцах с более высоким удельным сопротивлением и при травлении областей большего диаметра.

На основе имеющихся литературных данных можно сделать следующий вывод: механизм анодного окисления кремния заключается в движения через окисел катионов кремния и последующем их окислении на границе оксид-электролит, в результате чего происходит рост анодного окисла.

1.2 Влияние толщины плёнки кремния на её электрофизические свойства

Согласно имеющимся литературным данным электрофизические свойства плёнок кремния во многом определяются их толщиной. Влияние этой величины на основные электрофизические свойства кремния можно нагляднее всего продемонстрировать на МОП-транзисторах, сформированных на основе КНИ-структур с различной толщиной плёнки отсечённого кремния.

В работе были изучены экспериментальные зависимости порогового напряжения МОП-транзисторов, сформированных на основе КНИ-структур с толщинами плёнки кремния над диэлектриком 100, 75, 50, 25 нм и МОП-транзисторов на основе объёмного кремния от длины канала при комнатной температуре. В работе исследованы МОП-транзисторы n-типа с длинами канала 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600 нм. Уровень легирования сток-истоковых областей транзисторов составлял 2*10¹⁷ см^-3, а толщина подзатворного оксида 7 нм. Показано, что для длин канала 300 нм и более практически отсутствует разница между пороговыми напряжениями МДП-транзисторов, сформированных на основе объёмного кремния и МДП-транзисторов сформированных на основе КНИ-структур с толщиной отсечённого слоя кремния 100 нм, однако при значениях длины канала менее 250 нм разница их порогового напряжения составляет около 10% и для транзистора сформированного из КНИ-структуры меньше, чем для транзистора на основе объемного кремния. С последующим уменьшением толщины отсечённого кремния значение порогового напряжения падает более существенно для всего диапазона длин канала. Для МДП-транзистора с толщиной слоя кремния над диэлектриком 75 нм значение порогового напряжения для различных длин канала на 10−18% меньше чем для МДП-транзистора на основе объёмного кремния. Для транзистора с толщиной отсечённого кремния 50 нм значение порогового напряжения в 2 раза меньше чем для транзистора изготовленного из объемного кремния, а при толщине отсечённого кремния равной 25 нм пороговое напряжение меньше в 7−8 раз. В работе были изучены экспериментальные зависимости порогового напряжения от толщины отсечённого слоя кремния, меняющегося в диапазоне от 110 до 170 нм, для тылового и фронтального транзисторов n-типа при комнатной температуре. Уровень легирования составлял 10¹⁷-10¹⁸ см^-3, а толщина подзатворного оксида 2 нм. Из этих зависимостей тоже видно, что с утончением плёнки кремния над диэлектриком пороговое напряжение уменьшается: и для фронтального и для тылового транзисторов пороговое напряжение для толщины плёнки отсечённого кремния равной 110 нм на 40% меньше, чем для толщины плёнки кремния равной 164 нм.

В работе исследовались экспериментальные зависимости электронной подвижности носителей зарядов от толщины плёнки отсечённого кремния для фронтального и тылового транзисторов n-типа при комнатной температуре. Уровень легирования составлял 10¹⁷-10¹⁸ см^-3, а толщина подзатворного оксида 2 нм. На рисунке 1 приведены 3 зависимости для различных длин канала: (a) 1 мкм, (b) 2 мкм, © 5 мкм. Ширина канала транзистора равнялась 45 мкм, а толщины слоя отсечённого кремния изменялась в диапазоне от 11 до 16,5 нм. Показано, что с уменьшением толщины отсечённого слоя кремния для транзисторов с длиной канала 1 мкм и 2 мкм падение подвижности существеннее, чем для транзистора с длиной канала 5 мкм, и составляет между максимальным и минимальным значением толщины плёнки кремния составляет от 20 до 50%. Для транзистора с длиной канала 5 мкм падение подвижности не превышает 10%.

Рис. 1. Зависимость электронной подвижности в канале МОП-транзисторов, сформированных на основе КНИ-структур, от толщины плёнки КНИ, для различных длин канала: (a) 1 мкм, (b) 2 мкм, © 5 мкм

Рис. 2. Зависимости электронной подвижности в канале МОП-транзисторов, сформированных на основе КНИ-структур, от величины эффективного электрического поля для различной толщины плёнки отсечённого кремния (a) при комнатной температуре и (b) при температуре 25К

Рис. 3. Зависимость электронной подвижности в канале МОП-транзисторов, сформированных на основе ультратонких КНИ-структур, от толщины плёнки кремния над диэлектриком при комнатной температуре для значения эффективного электрического поля (a) 0,05 МВ/см и (b) 0,3 МВ/см

На рисунке 2 приведены полученные в работе экспериментальные результаты падения подвижности в канале МОП-транзисторов, сформированных на основе КНИ-структур в диапазоне толщин отсечённой плёнки кремния от 2,48 нм до 60 нм в зависимости от величины эффективного поля для комнатной температуры и температуры, равной 25К. МОП-транзисторы, исследованные в данной работе, формировались на основе КНИ-структур, с толщинами захороненного окисла 400 нм и отсечённого кремния 200 нм, изготовленных из пластин p-типа с удельным сопротивлением 10 Омсм. Утончение слоя кремния над диэлектриком осуществлялось путем его термического окисления и последующего стравливания окисла. Длина и ширина канала МОП-транзистора равнялись 500 и 200 мкм, соответственно, а толщина подзатворного диэлектрика 10 нм. Зависимость показывает, что, в основном, с уменьшением толщины кремния подвижность падает, причем для значения эффективного поля менее 0,1 МВ/см разница с объёмным образцом существенно больше, чем для значения эффективного поля более 0,1 МВ/см. Однако при комнатной температуре, когда эффективное поле принимает значение около 0,3 МВ/см, подвижность в канале МОП-транзистора, сформированного на основе КНИ-структуры, с толщиной плёнки отсечённого кремния 3,37 нм больше, чем для аналогичного транзистора, но с толщиной кремния 4,08 нм Это означает, что наблюдается увеличение подвижности при уменьшении толщины плёнки кремния. На рисунке 3 приведена более подробная зависимость электронной подвижности от толщины слоя кремния, принимающего значения в диапазоне от 2,7 до 7,5 нм. Показано, что при величине эффективного поля 0,3 МВ/см подвижность электронов в диапазоне 7,5−4,5 нм сначала падает на 13%, затем в диапазоне 4,5−3,5 нм растет на 6% и далее вновь уменьшается на 12% с уменьшением толщины. Также показано, что при величине эффективного 0,05 МВ/см эффект увеличения подвижности с уменьшением толщины не наблюдается, и подвижность монотонно падает на всем диапазоне толщин, и разница между максимальным и минимальным значениями подвижности составляет 40%. На основании полученных экспериментальных зависимостей в данной работе обсуждается механизм, обуславливающий падение подвижности носителей заряда в ультратонких структурах КНИ. В общем случае подвижность носителей заряда ограниченна Кулоновским и фононным рассеянием, а также рассеянием на неровностях поверхностей. Из представленных на рисунке 2 экспериментальных зависимостей подвижности электронов в канале транзистора от величины эффективного поля при комнатной температуре и для температуры 25К делается вывод о вкладе каждого из механизмов. Наиболее значимым является тот факт, что при температуре 25К разница подвижности между образцами с толщиной отсечённого кремния ~60 нм и толщиной 5 нм существенно меньше, чем при комнатной температуре, а для образцов более 5 нм, также исследованных в этой работе, разница подвижности при низкой температуре практически отсутствует. Так как с уменьшением температуры уменьшается именно вклад рассеяния на фононах, то практически полное отсутствие при температуре 25К разницы между значениями электронной подвижности в канале МОП-транзисторов, сформированных на основе ультратонких КНИ-структур с различной толщиной плёнки кремния над диэлектриком, означает, что падение подвижности носителей заряда с уменьшением толщины КНИ-структур при комнатных температурах связанно с увеличением вклада фононного рассеяния, в то время как величина Кулоновского рассеяния и рассеяния на неровностях поверхностей в ультратонких структурах в основном такая же, как и в образцах с большой толщиной плёнки отсечённого кремния. Увеличение вклада рассеяния на фононах обусловлено уменьшением ширины квантовой ямы из-за уменьшения толщины плёнки кремния, т.к. подвижность пропорциональна времени рассеяния, а для него верны следующие выражения:

(6)

(7)

кремний анодное окисление пленка где z-ось нормальная поверхности, _n(z) и _m(z) — начальное и конечное состояния волновой функции, в условиях фононного рассеяния, q_z — компонента волнового вектора фонона, параллельная оси z, и W — ширина квантовой ямы, где сосредоточенны электроны. Таким образом из уравнений (6) и (7) следует, что обычно:

(8)

Рис. 4. Теоретическая зависимость обусловленной рассеянием на фононах электронной подвижности в плёнке кремния в зависимости от её толщины при комнатной температуре Однако более точные расчеты, в которых, помимо внутридолинного, учтено также и междолинное рассеяние позволяют объяснить наблюдаемое повышение подвижности с уменьшением толщины с 5 до 3 нм. На рисунке 4 представлена расчитанная в данной работе теоретическая зависимость обусловленной рассеянием на фононах электронной подвижности в плёнке кремния в зависимости от её толщины при комнатной температуре, Данная теоретическая зависимость хорошо согласуется с эксперементальной зависимостью представленной на рисунке 3(b), однако, экспериментально полученная подвижность носителей заряда несколько меньше теоретически предсказанной, что объясняется в данной работе вкладом рассеяния на флуктуациях толщины плёнки кремния.

В работе показано, что применение гетероструктур SiGe, является эффективным способом повышения подвижности дырок в слоях кремния на изоляторе. Механизм влияния германия на подвижность носителей заряда объясняется следующим образом: германий, обладая отличающимися от кремния эффективными массами электронов и дырок, а также шириной запрещённой зоны, способствует изменению энергетических зон в кремнии. Это вызывает перераспределение заселённости электронов и дырок, а также снижению их средней эффективной массы. В результате, уменьшается величина фононного рассеяния, что приводит к повышению подвижностей электронов и дырок. В работе исследовались гетероструктуры p-типа Si/SiGe/Si с толщинами слоев кремния 5 и 4 нм, соответственно, и различными толщинами плёнки SiGe, равными 4, 6 и 10 нм. Из данных гетероструктур, а также КНИ-структуры p-типа с толщиной отсечённого кремния 23 нм, были сформированы МОП-транзисторы с длиной канала 100 мкм, шириной канала 50 мкм, и толщиной подзатворного окисла 4 нм. Далее для транзисторов были получены зависимости эффективной подвижности дырок в канале от концентрации дырок, меняющейся в диапазоне 0,2−210¹³ см^-3 Сравнение данных зависимостей показывает, что подвижность для транзистора изготовленного на основе гетероструктуры с толщиной германия 10 нм превышает подвижность в транзисторе изготовленного на основе КНИ-структуры примерно в 3 раза для всех исследованных концентраций дырок, а для транзисторов на основе гетероструктур толщиной 6 и 4 нм подвижность выше чем для транзистора на основе КНИ-структуры в 2,6 и 1,5 раза, соответственно. Таким образом, показанно, что наличие германия в плёнке кремния на изоляторе существенно сказывается на его электрофизических свойствах.

Обзор литературных данных показал, что уменьшение толщины плёнки кремния сопровождается изменением его основных электрофизических характеристик, например уменьшением подвижности носителей заряда и увеличением сопротивления. Это означает, что процесс анодного окисления плёнок КНИ может также в сильной мере зависеть от толщины слоя кремния. Снижение толщины слоя кремния может привести, например, к уменьшению эффективности анодного тока, то есть величине, показывающей какая часть протекающего через образец анодного тока идет на создание слоя окисла на его рабочей поверхности, а также может вызвать снижение скорости роста анодного окисла. Поскольку в литературе данные по анодному окислению КНИ-структур отсутствуют, а актуальность этих исследований обусловлена необходимостью разработки низкотемпературных методов создания ультратонких КНИ-структур, то целью данной работы является исследование электрофизических свойств ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом водородного переноса, в условиях анодного окисления.

2. Методика эксперимента

2.1 Создание структур «кремний на изоляторе»

Для исследования электрофизических свойств ультратонких плёнок кремния на изоляторе использовались КНИ-структуры с диоксидом кремния в качестве изолятора. Данные структуры были изготовлены по технологии DeleCut [15, 16]. Для их создания использовались две монокристаллические кремниевые пластины КДБ 10−20 с ориентацией (100), первая пластина, используемая в качестве подложки, подвергалась термическому окислению, в результате чего на её поверхности образовался слой диоксида кремния толщиной около 300 нм. Вторая пластина подвергалась имплантации ионами водорода H₂⁺ с энергий 140 кэВ дозой ~2· 10¹⁶ см^-2, через тонкий защитный слой SiO₂ толщиной 50 нм, который после имплантации удалялся в разбавленной плавиковой кислоте (HF:H₂O = 1:100). За счёт этого в пластине на глубине проективного пробега ионов водорода, равной ~600 нм, формировался слой насыщенный водородом. Далее пластина и подложка подвергались химической обработке, сушке, и сращиванию, после чего происходило расслаивание пластины по имплантированному слою. В результате, после удаления внешнего нарушенного слоя, были сформированы КНИ-структуры с плёнкой кремния на изоляторе толщиной ~500 нм, захороненным SiO₂ толщиной ~300 нм и высококачественной границей раздела /2>.

Для изучения влияния на процесс анодного окисления наличия германия в ультратонкой плёнке кремния над диэлектриком были сформированы КНИ-структуры, содержащие Ge на границе раздела Si/SiO₂. Использованный метод создания таких структур заключался в комбинации имплантации ионов Ge⁺ в термически выращенную плёнку диоксида кремния на кремниевой подложке с последующим водородным переносом на нее слоя Si. Этот метод основан на высокой миграционной способности германия в системах «кремний-диоксид кремния» и сегрегации его на границе раздела Si-SiO₂ при последующем высокотемпературном отжиге. А именно на том, что Ge, имплантированный в термически выращенные плёнки SiO₂, при последующем отжиге при температурах >900^оС легко мигрирует к границе раздела Si/SiO₂, где собирается в виде тонкого сплошного слоя. Для создания КНИ-структур, содержащих Ge на границе раздела Si/SiO₂, проводилась имплантация ионов Ge⁺ с энергий 40 кэВ дозой ~8· 10¹⁵ см^-2 в термически выращенные плёнки SiO₂ толщиной 360 нм. Исходными подложками являлись пластины кремния КДБ-(10−20) ориентации (100). Использованные энергии ионов обеспечивали формирование профиля германия с максимумом распределения около 50 нм ниже поверхности SiO₂. На имплантированную ионами Ge⁺ пластину переносилась с другой пластины плёнка кремния толщиной 0,6 мкм. В результате были сформированы структуры, в которых захороненный слой SiO₂ содержал германий вблизи границы сращивания. Затем производился отжиг полученных структур при температуре 900^оС в течении 30 минут, для обеспечения сегрегации Ge к границе сращивания Si/SiO₂.

2.2 Анодное окисление структур «кремний на изоляторе»

С целью утончения плёнок кремния на изоляторе до нанометровых размеров использовался метод анодного окисления.

Рис. 5. Схема установки для анодного окисления структур: 1 — держатель образца, 2 — образец, 3 — катод, 4 — источник постоянного тока, 5 — электролит, 6 — мешалка

Для контролируемого снятия слоев кремния с исследуемых структур использовалась установка, схема которой изображена на рис 4. Стеклянный сосуд закрывался крышкой из оргстекла, на которой были закреплены: танталовый держатель образца, катод, стеклянная мешалка. Ячейка заполнялась электролитом так, чтобы окисляемый образец полностью закрывался раствором. Держатель образца был выполнен из танталовой фольги, толщиной ~0,4 мм с пружинящими захватами предварительно окисленный в электролите того же состава до получения окисного слоя достаточной толщины, чтобы при окислении образцов ток утечки через держатель не превышал нескольких десятков микроампер. В качестве электролита использовался этиленгликоль с 0,04% NKNO₃ и 0,5% H₂O. Данный электролит считается наилучшим с точки зрения воспроизводимости результатов и равномерности слоя окисла по всей поверхности образца. Для удаления пузырьков с поверхности образца производилось перемешивание электролита. Мешалка вращалась со скоростью, недостаточной для образования воздушных пузырей в электролите. Образец площадью 1 см² с помощью танталового держателя помещался в электролит параллельно поверхности катода, рабочей стороной к нему. Затем включался источник постоянного тока, величина тока равнялась 9 мА. Анодное окисление проводилось при комнатной температуре с подсветкой, для снижения потенциального барьера по поверхности образца, а, следовательно, улучшения однородности анодной плёнки. С помощью вольтметра фиксировалось напряжение между электродами, а время контролировалось секундомером. Таким образом, строилась зависимость изменения напряжения от времени. Эксперимент продолжался до достижения максимального напряжения источника тока, равного 300 В, начальное напряжение определялось сопротивлением схемы, образца, и контактов держатель-образец. По окончанию эксперимента держатель образца вынимался из электролита, и образец доставался из него. Для удаления с поверхности образца молекул электролита он промывался в деионизованной воде, и тщательно протирался этиловым спиртом. Далее проводился контроль толщины окисленного слоя кремния для образца, и затем с образца стравливался окисел в растворе фтороводородной кислоты HF: H₂O = 1:100. Таким образом, образец подвергался последовательности анодных окислений, обладая на каждом последующем процессе оксидирования всё более тонким слоем отсечённого кремния.

2.3 Измерение методом эллипсометрии

Контроль толщины окисленного слоя кремния проводился методом эллипсометрии, принцип которого заключается в измерении изменения состояния поляризации света после его отражения от поверхности образца, определяющегося отношением комплексных френелевских коэффициентов отражения для p- (параллельной) и s-(перпендикулярной к плоскости падения) поляризаций света [18]:

где tg=r_p/r_s — отношение амплитудных коэффициентов Френеля, а =_p —_s — относительный фазовый сдвиг между pи sкомпонентами света.

Эллипсометрические углы и — результаты измерения на эллипсометре при угле падения? и? длине волны света. Измеренные элипсометрические углы и функционально связаны с оптическими параметрами исследуемой поверхностной структуры (показателями преломления n и поглощения k подложки и плёнки, толщины плёнки d и т. д.)

которые определяются из этих углов с помощью математических вычислений.

Для количественной характеризации исследуемой системы или для определения ее неизвестных оптических параметров требуется знание модели этой системы. Для окисленной КНИ-структуры моделью является трёхслойная система, для которой зависимость от толщин обобщённого коэффициента Френеля можно получить из формулы Скендонна-Баллерини [19]:

где r_j+1,j — коэффициент Френеля для границы раздела <�верхняя среда>/; R_j-1,0 — обобщенные коэффициенты Френеля, описывающие целиком всю систему, лежащую ниже j-1-ой границы; _j — фазовая толщина j-ого слоя:

где — длина волны света в вакууме; N_j, d_j и _j — показатель преломления, геометрическая толщина и угол преломления для j-ого слоя.

Задача решалась оптимизационными методами, предусматривающими поиск неизвестных параметров по условию наилучшего совпадения экспериментальных и модельных результатов.

Измерения проводились на спектральном быстродействующем эллипсометре, предназначенном для определения оптических и структурных свойств материалов и толщин тонкоплёночных слоев и измерения спектральных зависимостей оптических параметров поверхностных структур. Эллипсометр создан на основе статической измерительной схемы, обеспечивающей очень высокую скорость измерений, за счет отсутствия вращающихся элементов и модуляции сигнала. Поэтому время измерения на одной длине волны определяется только степенью инерционности электронно-усилительного тракта. Это позволяет достигать высокой точности измерений за счет накопления большого массива данных за небольшое время с последующим усреднением. Время измерения спектра при этом определяется преимущественно временем поворота дифракционной решетки. Спектральный диапазон данного эллипсометра 250 — 900 нм, источником света является дуговая ксеноновая лампа высокого разряда ДКсШ-120, а приемником два кремниевых двухэлементных фотоприемника.

Измерения проводились при температуре окружающего воздуха 20 5 С, относительной влажности 65 15%, атмосферном давлении 100 4 кПа.

3. Результаты

3.1 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе» в условиях анодного окисления

В результате последовательности процессов анодирования были получены кривые анодного окисления U (разница текущего напряжения между электродами и напряжением в момент начала анодирования) как функция времени анодирования.

На рисунке 6 представлены характерные кривые анодного окисления КНИ-структур с различными толщинами отсечённого кремния. На данных кривых можно выделить несколько участков. Начальный участок, нелинейный, на котором наблюдается быстрое увеличение напряжения во временном интервале до 200 секунд, затем этот участок сменяется участком более медленного роста, и следующий после него — линейный участок зависимости U (t). Наблюдаемые три участка характеризуются различными стадиями механизма окисления, рассмотренные в пункте 1.1. Из полученных зависимостей видно, что крутизна начального участка уменьшается по мере утончения слоя кремния до толщины ~100 нм, то есть скорость роста напряжения в первые минуты окисления сокращается. Это может быть связанно с уменьшением количества и величины неровностей поверхности образца, на которых начинается зарождение плёнки окисла, по мере утончения плёнки кремния. Так же видно, что линейные участки для кривых 1−5, т. е. до достижения толщины ~25 нм идут параллельно, а по мере дальнейшего утончения наблюдается увеличение наклона временной характеристики. На рисунке 7 показаны рассчитанные наклоны анодных кривых в зависимости от толщины плёнки кремния над диэлектриком. Из зависимости видно, что для толщин более 20 нм наклоны кривых практически совпадают и скорость роста напряжения равна ~0,1 В/сек, а для толщин плёнки кремния менее 20 нм наблюдается рост скорости увеличения напряжения. Скорее всего, это обусловлено тем, что для плёнок кремния нанометровой толщины, становится ощутимым вклад сопротивления плёнки кремния в рост сопротивления образца, которое становится сопоставимый с сопротивлением растущего окисла. Таким образом, падение напряжения на образце растет быстрее, т.к. сопротивление образца увеличивается сразу двумя путями: увеличение сопротивления окисла по мере роста его толщины и увеличение сопротивления плёнки кремния по мере её утончения в процессе анодирования.

По измеренной разнице конечного и начального напряжений и с помощью соотношения связывающего её с толщиной плёнки окисла, полученного в работе и равного 0,6 нм/В, были получены теоретические значения для толщин выращенных плёнок окисла для КНИ-структур. Зависимость толщины окисла, измеренной методом эллипсометрии, отнормированной на величину окисла, рассчитанного теоретически, от толщины плёнки кремния приведена на рисунке 8, кривая 1. Данная зависимость показывает, что для слоев КНИ с толщиной более 100 нм величины анодного окисла близки к значениям, полученным на соответствующих образцах объемного кремния (кривая 3 на рисунке 8). При дальнейшем уменьшении толщины плёнки кремния меньше 100 нм происходит резкое снижение отношения толщины окисла, и это наглядно показывает влияние толщины на процесс анодного окисления. Данное падение может быть связанно с описанным в пункте 1.2 падением подвижности, наблюдаемым при утончении КНИ-структур менее 100 нм. Начиная с толщины 45 нм при последующем утончении падение толщины окисла замедляется. Его значение становится 0,065, вплоть до толщины плёнки кремния 12 нм, что приблизительно в 10 раз меньше, чем толщина окисла, характерная для толстых (более 100 нм) слоев КНИ.

Из полученных значений толщины окисла и наклона анодных кривых на линейном участке, используя выражение (5), можно определить значение дифференциальной напряженности поля в плёнке окисла (_dif =U/) для КНИ-структур. На рисунке 9 приведена зависимость величины дифференциальной напряженности электрического поля в оксиде от толщины плёнки отсечённого кремния. Из приведенный зависимости видно, что для толщин отсечённого кремния более 70нм эта величина практически сохраняется постоянной. Дальнейшее утончение структур приводит к экспоненциальному росту дифференцильной напряженности в плёнке окисла. Это может быть связанно либо с изменением состава плёнки, её электронной проводимости, растворимости соединений плёнки. Однако, поскольку состав плёнки не меняется по толщине, то наиболее вероятной причиной изменения величины E_diff может быть увеличение вклада напряженности электрического поля в плёнке кремния. Существенный вклад оксидирования подложки в кривые анодного окисления мешает сделать более точные выводы

Из полученных значений толщины плёнки окисла и общего времени оксидирования на каждом шаге, зная основные физические свойства структур и величину анодного тока, можно определить величину эффективности анодного тока с помощью соотношения =nF/iMt, вытекающим из формулы (4). Эффективность анодного тока показывает, какая часть протекающего через образец анодного тока идет на создание слоя окисла на его рабочей поверхности. На рисунке 10 приведена зависимость эффективности анодного тока от толщины плёнки отсечённого кремния. Видно, что по мере утончения структур эффективность тока линейно падает с 56% при толщине около 500 нм до 4% при толщине 40 нм, при дальнейшем утончении эффективность падает существенно медленнее. Теоретически, причинами падения эффективности тока могут быть увеличение токов утечки через держатель, коррозионным током, обусловленным частичным растворением продуктов окисления в электролите, и увеличением вклада окисления подложки. Последняя причина видится наиболее вероятной. Увеличение сопротивления рабочей стороны при утончении слоя кремния над диэлектриком, при сохранении сопротивления подложки неизменной, должно приводить к уменьшению тока текущего через слой отсечённого кремния, при увеличении тока через подложку.

3.2 Исследование электрофизических свойств структур «кремний на изоляторе», содержащих Ge на границе сращивания Si/SiO₂, в условиях анодного окисления

Таким же образом, как и для КНИ-структур, в результате последовательности процессов анодирования были получены кривые анодного окисления U как функция времени анодирования для КНИ-структур, содержащих Ge на границе сращивания Si/SiO₂. На рисунке 11 представлены характерные кривые зависимостей U (t) для разных толщин отсечённого слоя кремния. На данных кривых можно выделить так же участки с разным наклоном, как и в случае КНИ-структур. Начальный участок характеризуется быстрым увеличением напряжения. Затем наблюдается некоторое замедление роста изменения напряжения на образце. Начиная с момента времени более 500 секунд наблюдается участок линейного увеличения U (t). Процесс изменения начального участка, заключающийся в уменьшении его крутизны по мере утончения слоя кремния до толщины ~100 нм, аналогичен наблюдаемому для КНИ-структур, не содержащих Ge (рисунок 6). Этот эффект может быть объяснен уменьшением количества и величины неровностей поверхности образца, на которых начинается зарождение плёнки окисла, по мере утончения плёнки кремния.

Поведения наклона анодных кривых на линейном участке при уменьшении толщины плёнок кремния существенно отличается от поведения наблюдаемого для обычных КНИ-структур. По мере утончения плёнки кремния анодные кривые на линейном участке не остаются параллельными, а увеличивают свою крутизну. На рисунке 12 показаны рассчитанные наклоны анодных кривых в зависимости от толщины плёнки кремния над диэлектриком. Из зависимости видно, что для толщин более 100 нм, крутизна кривых на линейном участке увеличивается, а при толщине менее 100 нм начинает медленно падать.

На рисунке 8 (кривая 2) представлена зависимость толщины окисла, измеренной методом эллипсометрии, от толщины плёнки кремния. В целом характер этой зависимости подобен зависимости наблюдаемой для КНИ-структур. При этом можно выделить и ряд особенностей. Для толщин отсечённого кремния более 200 нм величина толщины окисла в 1,5 раза меньше, чем для КНИ-структуры. Резкое уменьшение толщины окисла происходит при уменьшении толщины окисла менее 200 нм, в то время как для КНИ-структуры аналогичное падение происходило при толщинах менее 100 нм. Для толщин плёнки кремния менее 70 нм, отношение экспериментального и теоретического значений становится равным 0,1 и почти в 2 раза больше чем для КНИ-структуры.

Из полученных значений толщины окисла и наклона анодных кривых на линейном участке были определены значения дифференциальной напряженности поля в плёнке окисла как функция её толщины. Эта зависимость приведена на рисунке 13. Из рисунка видно, что дифференцильная напряженность в плёнке окисла растет практически на всем диапазоне толщин плёнки кремния над диэлектриком.

Как и для КНИ-структуры, для структуры, содержащей Ge на границе раздела Si/SiO₂, определяем величину эффективности анодного тока. На рисунке 14 приведена зависимость эффективности анодного тока от толщины плёнки отсечённого кремния. Эта зависимость имеет иной характер для плёнок с толщиной более 100 нм, чем в случае обычных КНИ-структур. Во-первых, эффективность анодного окисления существенно (в 2−3 раза) меньше чем для слоев КНИ, не содержащих германий. Во-вторых, она остается практически неизменной с уменьшением толщины отсечённого слоя вплоть до 100 нм. Дальнейшее её поведение аналогично наблюдаемому для обычной КНИ-структуры.

Влияние германия на границе раздела Si/SiO₂ наглядно демонстрируется разницей между зависимостями наклонов анодных кривых, толщин окисла, дифференциальных напряженностей электрического поля в оксиде и эффективностей анодного тока полученных для обычных КНИ-структур и структур, содержащих Ge на границе сращивания Si/SiO₂. Влияние германия на зависимость наклона анодных кривых на линейном участке от толщины плёнки кремния можно объяснить существенным различием механизмов анодного окисления кремния и германия. Отличие толщин окисла повышенной подвижностью в содержащих его структурах, иным механизмом анодного, возможно, объясняется негативным влиянием германия на однородность окисления поверхности. Так, например, в работе показано, что при термическом окислении структур кремния на изоляторе, содержащих германий, на поверхности образуются германиевые квантовые точки. А существенные различия зависимостей дифференциальных напряженностей электрического поля в оксиде и эффективностей анодного тока окисления для обычных КНИ-структур и структур, содержащих германий на границе сращивания, может объясняться влиянием германия на подвижность носителей заряда. Для выяснения конкретного механизма влияния германия на электрофизические свойства КНИ-структур необходимы более подробные исследования.

Выводы

1. Исследованы электрофизические свойства структур кремний на изоляторе (КНИ) в условиях анодного окисления. Проведен сравнительный анализ процессов анодного окисления КНИ-структур с различным химическим составом отсечённого слоя кремния в зависимости от толщины плёнки кремния на изоляторе в диапазоне 10−500 нм.

2. Обнаружено снижение скорости анодного окисления плёнок КНИ в 10 раз при уменьшении их толщины до 10 нм, по сравнению с соответствующими структурами на основе объемного кремния.

3. На основе полученных экспериментальных результатов по зависимостям скорости роста анодного окисла и толщины анодного окисла от толщины плёнки КНИ сделаны оценки дифференциальной напряженности электрического поля и эффективности анодного тока как функции толщины окисляемого слоя. Показано, что дифференциальная напряженность электрического поля в анодном окисле не зависит от толщины окисляемого слоя вплоть до величины 70 нм. Дальнейшее уменьшение толщины окисляемого слоя сопровождается ростом дифференциальной напряженности поля в окисле. Этот процесс может быть обусловлен влиянием вклада напряженности электрического поля в плёнке кремния. При утончении плёнки кремния с 600 до 40 нм эффективность анодного тока падает в 15 раз.

4. Установлено, что присутствие атомов германия в плёнке отсечённого кремния приводит к снижению скорости окисления вцелом, повышенному росту дифференциальной напряженностей электрического поля в окисле и снижению эффективности анодного тока, по сравнению с плёнками, не содержащими германий. Для выяснения конкретного механизма влияния германия на электрофизические свойства КНИ-структур необходимы более подробные исследования в зависимости от концентрации германия на границе сращивания.

1. Денисенко В. В. Особенности субмикронных МОП-транзисторов. Chip News, № 7, с.27−37.

2. А. Дудкин. Современные микропроцессоры: технологии изготовления, секреты производства архитектур, www.hwworld.ru.

3. Pindl S., Berthold J., Huttner T., Reif S., Schumann D., Philipsborn H. A 130-nm channel length partially depleted SOI CMOS-technology. IEEE Trans ED. 1999. Vol. 46. № 7. P. 1562−1566.

4. Shahidi G.G., SOI technology for the GHz era. IBM J. RES. & Dev. Vol. 46. № 2/3. P. 121−131.

5. P.L.F. Hemment, K.J. Reeson, J.A. Kilner, R.J. Chater, C. Marsh, G.R. Booker, J.R. Davis, and G.K. Celler, Nucl Instrum. Method Phys. Res. B 21, 129, 1987.

6. M.Bruel. Electron. Lett., 31, 1201, 1995.

7. G. Mende, Anodic oxidation os silicon as a low-temperature passivation technique, Semiconductor Micromachining, Volume 2, P. 264−311.

8. А. В. Двуреченский, В. Г. Серяпин, Анодное окисление кремния, Препринт, Новосибирск, 1977.

9. И. Р. Щелпакова, Б. М. Аюпов, П. Б. Орлов, О. И. Щербакова, И. Г. Юделевич, О механизме роста анодного окисла на полупроводниках, Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. хим. наук. 1982. № 7. Вып. 3. — С. 40.

10. Батенков В. А., Электрохимия полупроводников, Учеб. пособие., Изд. 2-е, допол., Барнаул, «Алт. ун-та», 2002.

11. А. А. Нечитайлов, Е. В. Астрова, Исследование неоднородности фронта травления макропор в тонких пластинах n-Si, письма в ЖТФ, Том 33, Вып. 16, Стр. 19−27.

12. А. Ohata, M. Casse, Sorin Cristoloveanu, T. Porioux. Mobility issues in ultra-thin SOI MOSFETs: thikness variations, GIFBE and coupling effects., ESSDERC 2004, P. 109−112.

13. Ken Uchida, Junji Koga, Shin-ichi Takagi, Experemental study on electron mobility in ultrathin-body silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. J. Appl. Phys. Vol. 102. Issue 7, 2007.

14. Invar Aberg, Cait Ni Chleiring, Judy L. Hoyt. Ultrathin-body strained-Si and SiGe heterostructure-on-insulator MOSFETs. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 53, № 5, P. 1021−1029

15. В. П. Попов, И. Е. Тысченко. Способ изготовления структуры кремний на изоляторе. Патент РФ № 2 217 842 (Бюл. № 33, 27.11. 2003).

16. Попов В. П., Антонова А. И., Французов А. А., Сафронов Л. Н., Феофанов Г. Н., Наумова О. В., Киланов Д. В. Свойства структур и приборов на кремний на изоляторе. Физика и техника полупроводников. Том 35. Вып. 9. Стр 1075−1083.

17. И. Е. Тысченко, М. Фёльсков, А. Г. Черков, В. П. Попов. Поведение германия, имплантированного в SiO₂ вблизи границы сращивания структуры кремний на изоляторе. Физика и техника полупроводников. Том 41. Вып. 3. Стр 301−306.

18. А. В. Ржанов, К. К. Свиташев, А. И. Семененко, А. В. Семененко, В. К. Соколов, Основы эллипсометрии, «Наука», Новосибирск, 1979.

19. М. И. Абаев «Метод эллипсометрического анализа неоднородных и многослойных структур», в сборнике: «Эллипсометрия — метод исследования поверхности», «Наука», Новосибирск, 1983 г., с 7−9 (под редакцией А.В. Ржанова).

20 P.W. Li, W.M. Liao, S.W. Lin, P. S. Chen, S.C. Lu, and M.-J. Tsai, Formation of atomic-scale germanium quantum dots by selective oxidation of SiGe/Si-on-insulation, Appl. Phys. Lett., V 83, № 22, P 4628−4630.