научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ КРЕМНИЯ И КИСЛОРОДА В СЛОЙ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО КРЕМНИЯ НА САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКЕ НА ТОКИ УТЕЧКИ N-КАНАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ КМОП ИС КНС ТЕХНОЛОГИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ КРЕМНИЯ И КИСЛОРОДА В СЛОЙ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО КРЕМНИЯ НА САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКЕ НА ТОКИ УТЕЧКИ N-КАНАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ КМОП ИС КНС ТЕХНОЛОГИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 224-229

УДК 621.3.049.77

ВЛИЯНИЕ ДОЗОВЫХ ФАКТОРОВ НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

ВЛИЯНИЕ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ КРЕМНИЯ И КИСЛОРОДА В СЛОЙ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО КРЕМНИЯ НА САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКЕ НА ТОКИ УТЕЧКИ N-КАНАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

КМОП ИС КНС ТЕХНОЛОГИИ © 2011 г. А. А. Чистилин1, А. А. Романов1, Ю. М. Московская 1, А. В. Уланова2, 3

1 ОАО "Ангстрем", г. Зеленоград, 2 ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" 3 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: dubovik@angstrem.ru; avulan@spels.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.

Представлены результаты исследования влияния имплантации ионов кислорода и кремния в слой кремния в структуре кремний на сапфире на кристаллическое совершенство слоя и на увеличение токов утечки n-канальных транзисторов, изготовленных на этих структурах.

1. ВВЕДЕНИЕ

Выращивание кремниевого слоя на сапфировой подложке (кремний-на-сапфире, КНС), как правило, осуществляется методами газофазной и молеку-лярно-лучевой эпитаксии. Наиболее применимым является метод газофазной эпитаксии, при котором в ходе выращивания кремниевого слоя на сапфировой подложке кремний находится в контакте со средой, содержащей кислород (кварц, сапфир и т. д.), взаимодействует с ней и в результате концентрация в нем кислорода увеличивается. Кислород в кремнии может образовывать отрицательно заряженные А-центры [1, 2]. Так как граница раздела кремний — сапфир является высокодефектной областью [3—5], то, в отличие от объемного кремния, в КНС такие центры могут быть очень устойчивы. В литературе [2] есть данные о том, что при гамма облучении происходит перестройка кислородных комплексов с преобразованием мелких донорных состояний в глубокие. Высокая плотность дефектов вызывает снижение подвижности и уменьшение времени жизни. Все перечисленное может повлиять на электрические характеристики КМОП КНС интегральных микросхем (ИС) при радиационных воздействиях, в частности, на токи утечки транзисторов, увеличение которых может приводить к увеличению тока потребления и, соответственно, к отказу микросхемы.

Таким образом, актуальной задачей является улучшение кристаллического совершенства гетеро-эпитаксиального слоя кремния, а также выявление причин образования на границе раздела кремний — сапфир отрицательно заряженных центров, приводящих к образованию инверсионного слоя.

Одним из способов улучшения кристаллического совершенства слоя кремния на сапфировой подложке является способ твердофазной рекристаллизации: имплантация ионов, сохраняющих электрофизические свойства гетероэпитаксиаль-ного кремния (81, С, О, Б) с проведением последующего отжига [6, 8, 9].

В работе приводятся сравнительные данные по результатам исследования изменения параметров КМОП КНС структур, сформированных на типовых структурах КНС и на экспериментальных структурах, подвергавшихся имплантации ионами кислорода и ионами кремния (аморфизации) с последующим отжигом.

2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлись структуры КНС диаметром 100 мм, с толщиной гетероэпитак-сиального слоя кремния 0.3 мкм, выращенные на отечественном заводе методом газофазной эпитак-сии. Структуры были разделены на 3 группы:

1. Экспериментальные структуры, имплантированные кислородом:

Доза имплантации ионов О+ D = (8—2) х х 1014см-2. Энергия имплантации Е = 130 кэВ. После имплантации образцы отжигались в атмосфере азота (550°С/0.5 ч + 1000°С/1 ч) [6, 7].

2. Экспериментальные структуры, имплантированные кремнием:

Доза имплантации ионов 81+ D > 7.5 х 1014 см-2. Энергия имплантации Е = 150 кэВ. После имплантации образцы отжигались в атмосфере азота (550°С/0.5 ч + 1000°С/1 ч) [8, 9].

3. Типовые структуры — имплантация ионами не проводилась.

Имплантация проводилась таким образом, чтобы максимум концентрации О+ (Si+) приходился на область вблизи границы раздела кремний-сапфир.

На экспериментальных и на типовых структурах КНС были сформированы тестовые модули, отражающие схемотехнические особенности микросхем. Тестовые модули представляют собой набор независимых элементов, характеризующих работу микросхемы. (р- и я-канальные транзисторы с различной топологией, резисторы, конденсаторы). Транзисторы в тестовом модуле реализованы с различной топологией, чтобы оценить влияние конструктивных особенностей на поведение микросхемы: Тп — транзистор с линейным затвором с фиксированной подложкой, Tnf— транзистор с линейным затвором с плавающей подложкой, Tnc — транзистор с квадратным затвором. При этом следует иметь в виду, что в отличие от объемных КМОП ИС в ИС на структурах КНС подзатворные области транзисторов, даже расположенных в одном "кармане" и на одном островке кремния, полностью изолированы одна от другой, т.к. области истоков-стоков транзисторов распространяются на всю глубину слоя кремния и все ^-«-переходы "сток (исток) — подзатворная область" — вертикальные и упираются в сапфировую подложку. В связи с этим термин "подложка" в том смысле, в каком он обычно употребляется для микросхем, изготовленных на объемном кремнии, т.е. как некая область полупроводника, общая для многих транзисторов, совершенно неприменим к микросхемам на КНС. В англоязычной литературе для обозначения подзатвор-ной области КНС-транзистора используется термин "body".

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Оценка кристаллического совершенства слоя кремния на типовых и экспериментальных структурах КНС была проведена методом высокоразрешающей двухкристальной рентгеновской дифракто-метрии на спектрометре ДРОН 3М. Оценивалась ширина на половине высоты кривой качания рентгеновской дифракции (ШКК), результаты представлены в работах [6, 9].

До разрезания структур КНС на отдельные кристаллы, на тестовых модулях проводили выборочный контроль электрических характеристик. Затем модули облучали гамма-квантами 60Со (E = = 1.25 МэВ, доза облучения — 300 кРад ). После облучения был проведен повторный контроль электрических характеристик.

В целях контроля качества кристаллического совершенства необходимо было провести оценку подвижности носителей в структурах по средствам из-

мерения параметра "ток стока открытого транзистора".

Режим измерения: = У! = 5 В, УЗ = 0 В, где УН — напряжение стока; УЗ — напряжение истока; Уg — напряжение на затворе.

Подвижность носителей была рассчитана исходя из соотношения (1), устанавливающего связь между проводимостью и подвижностью носителей для МОП транзистора тестового модуля в линейной области сток-затворной характеристики.

gD=^д^ау - У), (1)

где ^^ — геометрические характеристики транзистора; цп — подвижность носителей; С1 — емкость диэлектрика; Уg — напряжение на затворе; V — экстраполированное пороговое напряжение в линейной области.

Токи утечки транзисторов тестовых модулей были выбраны в качестве параметров, влияющих на электрические характеристики КМОП КНС ИС. Оценивались токи утечки транзисторов с различной топологией, чтобы также, исключить влияние на этот параметр конструктивных особенностей производства микросхемы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам контроля тестовых модулей было обнаружено значительное увеличение токов стока п — канальных транзисторов на экспериментальных структурах имплантированных кислородом и кремнием по сравнению с транзисторами на типовых структурах КНС.

Подвижность носителей исследуемых образцов экспериментальных структур имплантированных как ионами кремния, так и ионами кислорода увеличилась на ~30% по сравнению со значением подвижности типовых структур. На рис. 1 и 2 представлены результаты измерений тока стока открытых транзисторов тестовых модулей на экспериментальных структурах, имплантированных кислородом (рис. 1) и кремнием (рис. 2) и на типовых структурах. Различия в показаниях для тока стока имплантированных КНС структур обуславливаются неоднородностью характеристик гетероэпитаксиального слоя кремния при проведении газофазной эпитаксии (например, толщины слоя кремния).

Полученные результаты наряду с результатами контроля ШКК [7—9] дают основание полагать, что было достигнуто улучшение кристаллического совершенства гетероэпитаксиального слоя кремния экспериментальных структур. Увеличение подвижности носителей подтверждает тот факт, что имплантация ионов, сохраняющих электрофизические свойства гетероэпитаксиального кремния (81, С, О, Б) позволяет получить рекристаллизованный слой кремния с улучшенными свойствами [8, 9].

226

ЧИСТИЛИН и др.

Тп ТпГ Тпс

Ш Пластина № 1 - имплантирована кислородом ^ Пластина № 3 - имплантирована кислородом □ Пластина № 12 - типовая

Рис. 1. Значение токов стока транзисторов (среднее по пластине) на экспериментальной структуре, импланированной кислородом и на типовой структуре.

6 -

Тп ТпГ Тпс

Ш Пластина № 01 - имплантирована кремнием ^ Пластина № 02 - имплантирована кремнием 0 Пластина № 9 - типовая

Рис. 2. Значение токов стока транзисторов (среднее по пластине) на экспериментальной структуре, импланированной кремнием и на типовой структуре.

Однако при контроле электрических характеристик тестовых модулей было выявлено увеличение токов утечки п-канальных транзисторов экспериментальных структур имплантированных кислородом. Токи утечки экспериментальных структур имплантированных кремнием не увеличились. Токи

утечки ^-канальных транзисторов были несущественны.

После радиационного облучения был проведен повторный контроль электрических характеристик. На рис. 3, 4 представлены результаты контроля токов утечки я-канальных транзисторов тестовых мо-

1000000.00

8

М £

м о

Т

10000.00

100.00

(а)

До облучения После облучения

КТп Ш Тп И Тпс

100.00

(б)

и

м

ч

£ м

о Т

10.00

1.00

0.10

До облучения После облучения

®Тп Ш Тп1 И Тпс

Рис. 3. Значения токов утечки п-канальных транзисторов до и после проведения радиационного облучения: (а) -экпериментальной структуры, импланированной кислородом; (б) - типовой структуры.

дулей на экспериментальных структурах, имплантированных кислородом (рис. 3) и кремнием (рис. 4). Как показывает практика, увеличение токов утечки после облучения до 100 нА не оказывает существенного влияния на электр

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