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.