научная статья по теме МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ (100) ПРИ СВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ МИКРООБРАБОТКЕ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ (100) ПРИ СВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ МИКРООБРАБОТКЕ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 533.924,544.72

МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ (100) ПРИ СВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ МИКРООБРАБОТКЕ © 2014 г. Р. К. Яфаров, С. А. Климова

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, E-mail: pirpc@yandex.ru Поступила в редакцию 08.08.2013 г.

Исследованы закономерности влияния на электронные свойства поверхности кристаллов кремния (100) СВЧ-плазменной микрообработки в условиях слабой адсорбции. Рассмотрены модельные механизмы процессов и факторы, обеспечивающие устойчивую модификацию электронных свойств поверхности кремния за счет формирования встроенных поверхностных потенциалов, определяемых химической активностью используемых рабочих газов и режимами СВЧ-плазменно-го воздействия. Показана принципиальная возможность активного формирования электронных свойств поверхности полупроводниковых кристаллов с целью расширения их электрофизических и функциональных свойств.

DOI: 10.7868/S0544126914030065

ВВЕДЕНИЕ

Актуальными задачами современного полупроводникового материаловедения являются получение атомно-чистых поверхностей, создание квантово-размерных слоев и гетерограниц с заданными составом и структурным совершенством. Это обусловлено высокой чувствительностью электронных свойств материалов к дефектам и неоднородностям структуры. Увеличение степени интеграции современных микросхем сопровождается уменьшением толщин эпитакси-альных структур, используемых для их создания. В результате этого увеличивается отношение поверхности к объему и, как следствие, возрастает роль поверхностных явлений. Это ужесточает проблему совершенства атомной структуры поверхностей и переходных слоев полупроводниковых систем, создаваемых с использованием различных технологических методов и приемов обработки.

Сохранение высоких электрофизических характеристик полупроводниковых систем при технологических обработках требует минимизации последствий их влияния на структуру и электронные свойства вблизи поверхности, которые сильно отличаются от электронных свойств в объеме исходных полупроводниковых материалов. Дополнительные модификации вносит реконструкция поверхности. Модификации касаются перераспределения плотности заряда в приповерхностной области и появления, помимо собственных поверхностных состояний, обусловленных прерыванием периодичности кристаллической решетки полупроводника, других, несобственных поверх-

ностных состояний. Последние обусловлены возмущениями потенциала идеальной поверхности, локализуются вблизи дефектов их порождающих и связаны с используемыми методами поверхностной обработки. Такая модификация поверхностей проявляется, прежде всего, в ослаблении явлений, связанных с использованием эффектов поля, люминесценции, фото- и поверхностной проводимости, в изменении работы выхода и др. [1, 2]. Однако, с другой стороны, это может позволить в определенной степени активно формировать электронные свойства поверхности обрабатываемых полупроводниковых кристаллов для придания им новых функциональных свойств.

В настоящее время наиболее перспективным методом получения атомарно чистых поверхностей представляется низкоэнергетичное ионное и плазмохимическое травление [1, 3]. При получении атомно-чистых поверхностей кристаллов в плазмохимических средах, очевидно, необходимо учитывать возможность образования на поверхности химических соединений, которые могут существенным образом повлиять на процессы модификации поверхностной структуры полупроводников и их электронные свойства. Например, широко известны положительные результаты обработки структур арсенида галлия в низкоэнерге-тичной водородной плазме, приводящей к улучшению оптоэлектронных свойств приборов, изготовленных на их основе [4, 5].

В производстве кремниевых интегральных схем (ИС), кроме качества структуры поверхности, большое значение имеет выбор кристаллографической ориентации кристаллов-подложек,

5

305

который предопределен особенностями строения решетки полупроводникового материала и изготавливаемых на его основе приборов. Так, традиционно биполярные схемы формируют на подложках кремния с ориентацией (111), а МОП-приборы — на подложках с ориентацией (100). Это обусловлено тем, что плотность поверхностных состояний на подложках с ориентацией (100) почти на порядок меньше, по сравнению с ориентацией (111) [6]. Естественно предположить, что плазменная обработка в процессах получения атомно-чистых поверхностей и создания ИС может оказывать существенное влияние на модификацию их электронной структуры.

Целью работы являлось исследование влияния низкоэнергетичной СВЧ-плазменной микрообработки в различных газовых средах пластин кремния кристаллографической ориентации (100) на электронные свойства их поверхности.

1. МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Исследование влияния низкоэнергетичной СВЧ-плазменной микрообработки в различных газовых средах на электронные свойства поверхности пластин кремния кристаллографической ориентации (100) осуществлялось на структурах, обычно используемых при измерениях эффекта поля [1, 2] с тем отличием, что изучался не продольный, а поперечный транспорт носителей заряда. Такая схема измерений обусловлена тем, что, как показали ранее проведенные исследования [7], СВЧ-микрообработка в различных плаз-мообразующих средах не обеспечивает одинаковую наноморфологию поверхности пластин кремния. В результате этого при традиционной схеме измерений эффектов поля в МДП-структу-рах из-за различного диффузного рассеяния носителей на наноморфологии поверхности границ раздела вклад поверхностных состояний и зарядов в транспорт носителей заряда в зависимости от вида плазменной обработки может быть оценен недостаточно объективно.

Эксперименты, связанные с получением образцов структур для измерений, проводились в вакуумной установке с использованием СВЧ ионно-плазменного источника, описанного в работе [8]. Мощность СВЧ излучения и индукция магнитного поля, соответствующая возникновению в зоне газового разряда электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) составляли, соответственно, 250 W и 875 Gs. Давление рабочих газов при плазменной обработке было равным 0.1 Pa и обеспечивало выполнение условий ЭЦР, при котором степень ионизации плазмы составляла около 5% [9].

В качестве рабочих газов для получения атомно чистой поверхности пластин монокристаллического кремния (100) ^-типа, пассивированных

тонкой пленкой естественного окисла, использовались хладон-14, аргон и водород. Величины ускоряющих напряжений на подложкодержателе в процессах плазменного травления кремния во всех плазмообразующих средах были фиксированными и составляли —100 В. При плазменной обработке в атмосфере водорода использовался также режим травления с ускоряющим напряжением — 300 В. В соответствие с природой используемого рабочего газа обработка кремниевой пластины с естественным окислом осуществляется в режимах ионно-плазменного травления в случае использования аргона или реактивного ионно-плазменного травления в случае использования хладона-14 или водорода. Распыленные поверхностные атомы кремния при ионно-плазменном травлении и образующиеся летучие кремнийсо-держащие продукты реакций в случае реактивного ионно-плазменного травления откачиваются вакуумной системой.

После плазменной очистки пластин кремния от естественного оксида кремния в одном вакуумном технологическом цикле осуществлялось осаждение в СВЧ-плазме смеси паров этанола и мо-носиланазащитных (герметизирующих) пленочных структур аморфного гидрогенезированного карбида кремния (a-SiQH) толщиной 10 нм. Затем на поверхность гетероструктуры методом вакуумного термического осаждения наносились металлические контакты диаметром 2 мм. Для проведения сравнительных оценок влияния обработки в плазмообразующих средах на поверхностные электронные свойства пластин кремния была изготовлена контрольная гетероструктура, в которой герметизирующий слой (a-SiQH) осаждался на кремний, поверхность которого не подвергалась плазменной очистке.

В полученных структурах исследовался поперечный электронный транспорт c прямой полярностью подключения к источнику питания. Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) производились с использованием анализатора полупроводниковых приборов Agilent B1500A (AgilentTechnologies, США). Измерялись вольт-амперные характеристики образцов при изменении внешнего напряжения в интервале от 0 до 10 В в прямом и обратном направлениях с регулируемой длительностью инжекции носителей в каждой точке измеряемой ВАХ от 1 х 10-5 до 5 с, а также в стационарном режиме, при котором значения ВАХ фиксировались после полной стабилизации показаний измерительного прибора. Во избежание тепловых электрических пробоев максимальный ток через структуры ограничивался на уровне 0.1 А. Это соответствует плотности тока 3.18 А/см2.

На рис. 1 приведены в логарифмических координатах ВАХ поперечного электронного транспорта при измерениях в режиме полной стабилизации показаний измерительного прибора в пле-

(а)

(б)

^ I, мкА

10 1 0.1 0.01 0.001

0.0001

0.1

2

1

10 и, В

10 10 1 0.1 0.01 0.001

0.0001

2

1

у 1 1

1

0.1

10

^ I, мкА

1000000

100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001

(в)

(г)

2

1

10 и, В

1000000 100000 10000 1000 100 10 1

10

Рис. 1. ВАХ поперечного транспорта электронов, полученных при прямом (1) и обратном (2) изменении напряжения в пленочных структурах а-81С:И на кремнии (100) р-типа, после обработки в СВЧ-плазме различных газовых сред: (а) — аргон; (б) — водород при исм = —100 В; (в ) — водород при исм = —300 В; (г) — хладон (на осях графиков токи представлены в мкА, напряжения в В).

1

1

1

1

ночных структурах а-81С:И, полученных в одинаковых режимах осаждения на кристаллах кремния (100) после травления в различных плаз-мообразующих средах. Наблюдается закономерность: при изменении напряжения в одном и том же интервале значений максимальные токи через гетероструктуру кремний—тонкая пленка а-81С:И увеличиваются на порядки величин в ряду аргон— водород—хладон, а значения напряжени

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»