МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 5, с. 368-372
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК [537.311.322+537.312.6+621.316.825]:47.57.00
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО SiGe
© 2012 г. В. А. Юрьев, Л. В. Арапкина, К. В. Чиж, М. Г. Войтик, В. А. Чапнин, В. П. Калинушкин
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской АН vyuryev@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 10.10.2011 г.
Исследованы электрофизические свойства пленок поликристаллического 8Юе(В), нанесенных в камере молекулярно-лучевой эпитаксии на различные искусственные диэлектрические подложки, сформированные на поверхности пластин монокристаллического кремния. Установлено, что вблизи 300 К пленки поликристаллического 8Юе(В) имеют линейные вольтамперные характеристики, удельное сопротивление от 5 до 50 Ом см и температурный коэффициент сопротивления от —3 до —1.5%/К. Для различных пленок поликристаллического 8Юе(В) получены оценки высоты потенциальных барьеров, возникающих на границах зерен.
В последнее время тепловидение стало одним из наиболее быстро развивающихся направлений современной техники, вбирающим в себя многие важные достижения в области полупроводниковой нанотехнологии, материаловединия, микроэлектроники, схемотехники, компьютерных технологий и методов обработки и передачи информации. Среди всех типов тепловизионных приборов (ТВП), созданных в настоящее время, наиболее совершенными являются и в обозримом будущем останутся тепловизоры на основе охлаждаемых матричных ИК фотоприемников [1, 2]. К сожалению, они относительно дороги. Именно этим в первую очередь объясняется тот факт, что до недавнего времени рынок гражданской тепловизионной техники практически отсутствовал. Ситуация стала меняться с появлением менее дорогостоящих, но достаточно чувствительных (с температурной чувствительностью не хуже 100 мК) приборов на базе неохлаждаемых микроболометрических ИК матриц, работающих в спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм. В настоящее время наиболее распространены ИК-мат-рицы, в которых в качестве чувствительного элемента используется терморезистор из УОх [2]. Альтернативой им служат болометрические ИК-матрицы на основе аморфного кремния [3]. Все эти матрицы гибридные, что накладывает определенные технологические ограничения как на перспективу их удешевления, так и на возможности массового их производства. Именно поэтому, несмотря на прогресс в достижении высоких потребительских свойств современных микроболометрических тепловизоров, работы над монолитными кремниевыми микроболометрическими матрицами не прекращаются. Появление таких
матриц стало бы настоящим прорывом в области тепловизионной техники. В силу высокой технологичности производства такие матрицы были бы существенно дешевле нынешних, а объем их производства был бы ограничен лишь потребностью рынка, но не производственными возможностями выпускающих их предприятий. Кроме того, как все монолитные микроэлектронные приборы, такие матрицы обладали бы более высокой надежностью и долговечностью. В качестве главного кандидата на роль материала для термочувствительного (термисторного) слоя таких матриц рассматривается поликристаллический 8Юе, легированный бором [2, 4—11]. Помимо этого, недавно была предложена конструкция диодных болометров, в которых термочувствительный р—п-переход или бартер Шоттки может быть сформирован на пленках поликристаллического 8Юе [12, 13]. Для создания таких приборов необходимо знать электрофизические и структурные свойства пленок поли-8Юе, формируемых на разных диэлектрических слоях в различных режимах осаждения, с разным содержанием Ое и уровнем легирования.
Цель настоящей работы — изучение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) поликристаллических пленок 8Юе(В), осажденных на различных искусственных диэлектрических подложках в сверхвысоковакуумной камере мо-
1
лекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Процесс получения термочувствительных структур на основе поли-8Юе(В) состоял в следующем: пластины монокристаллического крем-
1 ТКС а = (dЯ/dT)/Я, где Я — сопротивление, а Т — температура образца.
Рис. 1. Схема тестового элемента: 1 — подложка Si (КДБ-12); 2 — термический SÍO2; 3 — SÍ3N4; 4 — низкотемпературный плазменный SÍO2; 5 — поли-SiGe^); 6 — контактная площадка (Ti—Ni, V—Cu—Ni или In); h — толщина слоя поли-SiGe(B); листовое сопротивление пленки поли^Ое(В) Rs = Ra/l (Ом/квадрат).
ния (КДБ-12: р = 12 Ом см, р-тип) термически окислялись (см. таблицу). После этого на большинстве образцов пиролитическим методом наносился слой Si3N4 . На одном из образцов поверх пиролитического нитрида кремния методом низкотемпературного плазменного осаждения был нанесен дополнительный слой Si3N4. Перед нанесением пленок поли-SiGe пластины отжигались в камере предварительной очистки установки МЛЭ "Riber EVA 32" в течение 24 ч при температуре 550—600°С и давлении остаточных газов около 5 х 10-9 торр. Термочувствительные слои поликристаллического SiGe(B) номинальной толщиной от 150 до 500 нм формировались на поверхности диэлектрической пленки в сверхвысоковаку-умной камере молекулярно-лучевой эпитаксии установки "Riber EVA 32" (исходное давление в камере составляло 10-11 торр, в процесс осаждения пленки давление поднималось до 2 х 10-9 торр). Легирование слоев SiGe примесью бора производилось из высокотемпературной ячейки Кнудсена в процессе выращивания, концентрация бора в слоях варьировалась от 3 х 1015 до 8 х 1017 см-3. Температура подложки в процессе осаждения пленки SiGe составляла 550°С. Скорость охлаждения до комнатной температуры подложки с нанесенной пленкой SiGe была примерно 0.4°С/с. После выращивания слоя SiGe методами оптической литографии на пластинах формировались тестовые элементы специальной формы
(рис. 1). Вслед за этим наносился защитный слой 8Ю2 , и в окисле вскрывались окна для формирования контактов. Затем наносились металлические контакты, и пластины разделялись на модули.
Блок из двух модулей монтировался на держатель, который помещался в термостат для проведения измерений. Влияние контактов устранялось методом потенциометрического измерения сопротивления (рис. 1).
На рис. 2 представлены изображения поликристаллической структуры № 1 (см. таблицу), полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) в режиме вторичных электронов. Измеренные реальные толщины слоев 8Ю2 и поликристаллического 8Юе в этом образце составили 0.13 ± 0.04 и 0.63 ± 0.07 мкм, соответственно. В образце № 2 толщина слоя поликристаллического 8Юе, также определенная с помощью РЭМ, составила 0.57 ± 0.06 мкм, толщина слоя диэлектрика — 0.15 ± 0.01 мкм. Номинальные толщины слоев, заложенные в параметры технологических
процессов, приведены в таблице.2
2
2 Расхождение в номинальной и реальной толщине слоев 8Юе обусловлено тем, что номинальная толщина слоя рассчитывалась, исходя из показаний кварцевых датчиков, измеряющих потоки атомов кремния и германия. Эти датчики градуировались по толщине монокристаллической пленки.
Основные характеристики термочувствительных структур на основе поликристаллического SiGe(B)
Поликристаллический SiGe(B)
№ образца Диэлектрическая подложка, последовательность слоев в порядке формирования Номинальная концентрация бора Номинальная толщина слоя SiGe Номинальное содержание Ge Средний размер зерен Листовое сопротивление при 300 К ткс Д> 0
см~3 нм % нм кОм/квадрат %/к мэВ
1 Si02 (термический 150 нм) 8 х 1017 512 28 300 1.45 -0.30(7) 40
2 Si02 Si3N4 (пиролитический, 150 нм) 8 х 1017 434 (7 пар чередующихся слоев Si(B) и SiGe(B) равной толщины) 27 (в слоях SiGe) 250 0.775 -0.14(7) 26
3 Si02 Si3N4 (пиролитический, 150 нм) 1 х 1016 508 31 400 210 -1.8(3) 169
4 Si02 Si3N4 (пиролитический, 150 нм) Зх 1015 519 30 350 240 -1.6(4) 153
5 Si02 Si3N4 (пиролитический, 150 нм) Si3N4 (плазменный, 300 нм) Зх 1015 507 28 200 и 400 (две фракции) 58 -1.5(7) 148
6 Si3N4 (пиролитический, 200 нм) Зх 1015 320 30 - 172 -2.0(8) 189
7 Si3N4 (пиролитический, 200 нм) Зх 1015 150 28 - 1480 -3.1(5) 277
8 Si3N4 (пиролитический, 200 нм) Зх 1015 149 50 - 84 -1.4(7) 136
о
К
ч
О g
и
я
о м
К
£
S
►и 04 и а
к
h тз
Рис. 2. Изображения поликристаллической структуры № 1, режим вторичных электронов РЭМ: (а) — вид сверху; (б) — поперечный скол. Маркер соответствует 2 мкм. Толщины слоев: поликристаллического 8Юе — 0.63 ± 0.07 мкм; 8Ю2 — 0.13 ± 0.04 мкм.
Основные результаты, полученные в данной работе, представлены в сводной таблице.
Средний размер зерен поли-SiGe в образцах, определенный с помощью РЭМ, варьировался от 200 до 400 нм.
Было установлено, что объемное сопротивление образцов лежит в диапазоне от 1 до 50 Ом см и при уровне легирования менее или порядка 1016 см-3 зависит не от степени легирования бором слоев SiGe, а, скорее, от размеров кристаллитов и состава твердых растворов SiGe.3 Вольтам-перные характеристики структур при напряжен-ностях электрического поля >100 В/см были близки к линейным. Температурный коэффициент сопротивления пленок поли-SiGe вблизи 300 К при уровне их легирования бором менее или порядка 1016 см-3 менялся в разных термочувствительных структурах в пределах от -3.1 до -1.5%/К (рис. 3, таблица). При концентрации же бора в слоях поли-SiGe ~8 х 1017 см-3 ТКС не превышал по абсолютному значению 0.31%/К.
Полагая, что основным механизмом, ответственным за проводимость в исследуемых поликристаллических пленках, является термоэлектронная эмиссия через потенциальные барьеры на межзеренных границах и следуя ссылке [14], из проведенных измерений можно оценить высоту этих барьеров. Воспользовавшись выражением [14]:
р/VT ~ const 1 exp{Eь0/kT}, {a)N g
3 Удельное сопротивление р = Rsh, где Rs - листовое сопротивление пленки, h - ее толщина, см. рис. 1.
где р — удельное сопротивление поли-8Юе, Т — температура образца, (а) — средний размер зерен, N<3 — концентрация электрически активного бора, Е,0 — высота барьера при Т = 0 (Еь« Еьо (1 — уТ), у ~ 1.5 х 10—3 К-1), к — постоянная Больцмана, — получим для исследованных пленок поли-8Юе значения ЕЬ0, приведенные в таблице. Заметим, что поскольку измерения вольтамперных х
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.