научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА ТКС ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА ТКС ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 3, с. 178-184

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 621.315593:5392162

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА ТКС ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ

© 2007 г. А. А. Ковалевский, А. В. Долбик, С. Н. Войтех

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

E-mail: akovalevsky@mail.ru Поступила в редакцию 16.12.2005 г.

Исследованы закономерности изменения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) пленок поликристаллического кремния, легированных редкоземельными элементами (РЗЭ), кислородом, германием, бором и фосфором от условий их формирования. Показано, что количественное содержание РЗЭ, кислорода и доза имплантированного бора и фосфора в объеме пленки, а также температурно-термическое воздействие на пленки, после их осаждения, являются основополагающими факторами, оказывающими самое существенное влияние на знак и на величину ТКС. Установлены общность и различие в закономерностях изменения ТКС нелегированных и легированных различными примесями и различными методами пленок поликристаллического кремния (ПКК). Показано, что тонкопленочные резисторы, сформированные на основе пленок поликристаллического кремния, легированных РЗЭ и германием, характеризуются отрицательным ТКС, как и нелегированные, а легированные германием, в сочетании с бором и с фосфором при концентрации последних более 1018 ат • см-3 - положительным ТКС. Повышение концентрации таких легирующих примесей, как РЗЭ, кислород, германий (Ge), бор (B), фосфор (P) в объеме пленки способствует изменению знака ТКС с отрицательной величины на положительную.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение требований к качеству изделий электронной техники вызвало интенсивные исследования возможности изготовления стабильных по структуре и электрофизическим параметрам легированных пленок поликристаллического кремния.

Влияние состава, структуры и морфологии пленок поликристаллического кремния на характеристики таких устройств, как затворы МОП транзисторов, нагрузочных резисторов и обкладок конденсаторов элементов памяти, омических контактов и межсоединений существенно возрастает при использовании технологически сложных композиций и элементов субмикронных размеров [1-4]. При этом первостепенное значение приобретает проблема уменьшения высоты микронеровностей поверхности пленок ПКК и повышения стабильности их свойств под воздействием высокотемпературных обработок. Основные же достоинства легированных пленок ПКК - совместимость с технологией кремниевых интегральных микросхем, возможность групповой обработки, совпадение с монокристаллическим кремнием по структуре элементарной решетки и некоторым другим физическим параметрам.

Важный физический параметр пленок поликристаллического кремния - ТКС зависит как от концентрации, так и типа легирующей примеси и состояния межзеренных границ [1-9]. В этом ас-

пекте безусловный интерес представляет использование изовалентной примеси, в частности, германия, примесей РЗЭ, кислорода, бора и фосфора при формировании пленок ПКК, которые должны изменить их характеристики [5-12].

К сожалению, исследований в таком направлении до настоящего времени не проводилось.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве подложки использовались кремниевые пластины диаметром 100 мм с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 10 Ом • см, легированных бором, и 20 Ом • см, легированных фосфором, на которых предварительно выращивался термический оксид кремния толщиной 75 ± ± 5 А. Пленки ПКК осаждали методом разложения моносилана с моногерманом при газоразрядном легировании РЗЭ [11] в условиях пониженного давления (35 ± 5) Па при температуре (620 ± ± 5)°С в горизонтальном реакторе установки типа "Изотрон 4-150". Кроме того, пленки ПКК, осажденные в процессе разложения моносилана с моногерманом, далее легировались фосфором и бором в процессе ионной имплантации. Для получения сравнительных характеристик контрольные образцы пленок ПКК осаждались и в стандартном процессе только разложением моносилана. В качестве элементов РЗЭ использовались европий, гадолиний и иттербий. Составы по РЗЭ используемых пленок ПКК приведены в табл. 1.

Таблица 1. Составы используемых пленок ПКК, легированных РЗЭ

О, Ом см х 106 Ей, ат см 3 Gd, ат см 3 Yb, ат см 3 Серия опытов

4.1-8 (1015) (1015) (1015) 1

4.1-8 (1015) (1015) (1015) 1

4.1-8 (1015) (1015) (1015) 1

6.2-8.4 (1017) (1017) (1017) 2

6.2-8.4 (1017) (1017) (1017) 2

6.2-8.4 (1017) (1017) (1017) 2

1.2-2.9 (1019) (1019) (1019) 3

1.2-2.9 (1019) (1019) (1019) 3

1.2-2.9 (1019) (1019) (1019) 3

Концентрация электрически активной примеси оценивалась из измерений удельного сопротивления четырехзондовым методом. При измерениях сопротивления использовалась компланарная конфигурация контактов с зазором 1мм. Напряженность электрического поля при измерениях не превышала 102 В/см.

Объектами испытаний в принципе служили тонкопленочные резисторы, где отношение длины Ь к ширине Ж составляло 4.. .7.

ТКС пленок и резисторов на их основе определялся отношением изменения сопротивления, вызванного приращением температуры на один градус к сопротивлению ПКК или тонкопленочного резистора на основе пленки ПКК при температуре 20°С в соответствии с формулой:

= жЫГ'

где Яг1 - сопротивление пленки ПКК (резистора на основе пленки ПКК) при температуре 19.5°С; Яг2 - сопротивление пленки ПКК (резистора на основе пленки ПКК) при температуре 20.5°С; Яг -сопротивление пленки ПКК (резистора на основе пленки ПКК) при температуре 20°С.

Сопротивление измерялось при помощи омметра. Для устранения погрешностей в определении сопротивления измеряемые образцы помещались в термостат, снабженный автоматическим терморегулятором, поддерживающим температуру с точностью 0.01°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные исследования позволили установить общность и различие в закономерностях изменения ТКС пленок ПКК, залегированных различными примесями. Установлено, что ТКС лан-таноидсодержащих пленок ПКК с повышением температуры подложки увеличивается в сторону

отрицательных значений. Это обусловлено тем, что лантаноиды (РЗЭ) вступают в химическое взаимодействие с целым рядом неметаллических примесей и переводят их в электрически неактивные компоненты. Возможно образование более легких, чем кремний, комплексов, которые могут уноситься газовым потоком из зоны взаимодействия. В этом случае не исключается возможная очистка пленок ПКК от электрически активных примесей. Характеристики резисторов различных серий представлены в табл. 2. Из анализа параметров резисторов серии 1 следует, что малые добавки европия, гадолиния и иттербия в объем пленки ПКК имеют свойство компенсировать положительное значение ТКС резисторов на основе поликристаллического кремния, при чем этот эффект сильнее выражен у европия.

К аналогичному результату приводит легирование пленки ПКК иттербием при содержании его в ПКК 1017 ат • см-3 (табл. 2). Очевидно, что в этой серии самый низкий по абсолютной величине отрицательный ТКС имеют резисторы на пленках из ПКК, залегированных гадолинием.

Характеристики резисторов серии 3 на основе ПКК (табл. 2) показывают, что ПКК, содержащие от 1015 до 1019 ат. • см-3 гадолиния, позволяют создать резисторы на основе лантаноидсодержа-щих пленок ПКК с отрицательным ТКС от 2.9 х х 10-2 до 6.2 х 10-2 К-1.

Расширение диапазона сопротивлений резисторов с отрицательным ТКС требует дополнительного модифицирования. Однако для его реализации необходимо объяснить механизм влияния РЗЭ на ТКС пленок ПКК и резисторов на их основе (рис. 1). Характеристики резисторов серии 3 на основе пенок ПКК (табл. 2) показывают, что пленки ПКК, содержащие 1019 ат • см-3 гадолиния, позволяют изготавливать резисторы на основе пленок ПКК с отрицательным ТКС 2.9 х 10-2 К-1.

Таблица 2. Удельное сопротивление и ТКС резисторов на основе пленок ПКК, легированных РЗЭ

Серия опытов Варьируемая характеристика, концентрация примеси в ПКК, -3 ат см-3 О, Ом см х 106 Отрицательное значение ТКС, К-1 х 10-2

С 1 Еи х 1015 8 12

Gd х 1015 4.4 7.4

Yb х 1015 4.1 6.3

С 2 Еи х 1017 8.4 18.7

Gd х 1017 6.2 16.15

Yb х 1017 8 12

С3 Еи х 1019 2.6 12

Gd х 1019 2.9 10

Yb х 1019 1.2 6.5

Модифицирующий эффект РЗЭ можно объяснить, по крайней мере, тремя факторами: влиянием РЗЭ как компонента материалов резистора на проводимость, поскольку РЗЭ влияют на ширину запрещенной зоны в ПКК, создавая мелкие и глубокие уровни; влиянием добавки РЗЭ на свойства ПКК или свойства поверхности ее частиц в результате образования химического соединения, влиянием РЗЭ на те свойства ПКК, изменение которых влечет изменение параметров резистивно-го элемента в целом.

Известно, что РЗЭ повышают ТКР поликристаллического кремния и снижают температуру его плавления [12].

Такое изменение свойств ПКК вызывает сдвиг ТКС резисторов в область отрицательных значений, что и наблюдается в нашем случае.

Таким образом, такие РЗЭ, как гадолиний и европий, можно отнести к добавкам, которые могут широко использоваться для компенсации положительного ТКС, приближая его к нулевому значению. Они в принципе мало влияют на сопротивление резистивных элементов, но смещают их ТКС в область отрицательных величин.

Сопоставление результатов показало, что одним из наиболее эффективных способов компенсации положительного ТКС резисторов является дополнительное введение в состав пленки ПКК кислорода. Варьирование пропорции, например, между РЗЭ и кислородом позволяет регулировать состав пленок ПКК, который предопределяет характер взаимодействия в пленках под резисторы, их фазовый состав и электрофизические свойства. Зависимость ТКС от концентрации кислорода в пленках ПКК, легированных РЗЭ, представлена на рис. 1. Из приведенных данных очевидны особенности закономерностей изменения ТКС тонкопленочных резисторов в результате повышения концентрации кислорода и РЗЭ. До-

полнительными факторами изменения ТКС тонкопленочных поликремневых резисторов, модифицированных совместно РЗЭ и кислородом, может быть варьирование размера зерен ППК.

Напротив, компенсации отрицательного ТКС резисторов можно добиться посредством введения дополнительных модификаторов,

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