Тема: Электрофизические свойства ультра-тонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом ионной имплантации и водородного переноса

«Кремний на изоляторе» (КНИ) — технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний- диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монокристаллических кремниевых пластин. В качестве диэлектрика обычно выступает диоксид кремния SiO2. Микросхемы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе», являются весьма перспективными для создания высокоскоростных СБИС. КНИ-структуры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с объемным кремнием: существенное уменьшение величины емкости на подложку; повышение радиационной стойкости структур; отсутствие тиристорного эффекта (эффекта защелкивания); снижение токов утечки через подложку. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров [1-4].
В настоящее время в мире используются два основных метода создании пластин КНИ. Первый из них был разработан в начале 80-ых годов прошлого столетия и заключается во внедрении в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by OXYGEN - SIMOX) или азота (SIMNI) с последующим синтезом скрытого окисла при высокотемпературном (1300-1400оС) отжиге [5]. Другой способ создания КНИ-структур был предложен в 1986г. М. Брюэлем [6], а именно - метод водородного переноса кремния (Smart Cut® SOI), состоящий в прямом сращивании облучённой водородом донорной пластины кремния, покрытой слоем термического SiO2, с опорной кремниевой подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем её скола имплантированным водородом. Метод водородного переноса устранил недостатки присущие методу SIMOX. Основные его достоинства - существенно более низкая плотность дефектов в рабочих слоях, являющихся серьёзным препятствием при массовом производстве полупроводниковых приборов, а также более качественная граница раздела <отсечённый кремний>/<захороненный оксид>.
Наметившиеся в последние годы тенденции в создании быстродействующих интегральных схем требуют снижения размеров элементов до нанометровых величин. Поэтому создание структур КНИ субнанометровых и нанометровых толщин является важной технологической задачей. Её решение связанно с изучением целого ряда физических задач, возникающих при уменьшении толщин плёнок кремния до нанометровых размеров. Одной из них является исследование процесса анодного окисления КНИ-структур. Обычные методы окисления, разработанные для объёмного кремния, являются высокотемпературными и характеризуются образованием дефектов окисления: скопления междоузельных атомов, дефекты упаковки и другие, размеры которых могут достигать 1 мкм. Эти методы окисления становятся неподходящими, когда толщины плёнок кремния достигают субнанометровых размеров. В результате, возникает проблема разработки и исследования новых методов утончения слоев кремния до нанометровых величин.
Привлекательность метода анодного окисления в данном случае оправдана тем, что он является низкотемпературным методом (процесс анодного окисления протекает при комнатной температуре) и высокоточным (точность толщины окисленного слоя может составлять несколько ангстрем) [8]. Однако процесс анодного окисления КНИ-структур вплоть до настоящего времени никем не изучался. С другой стороны, есть все основания предполагать, что этот процесс будет отличаться от процесса анодирования объемного кремния. Это обусловлено тем, что процессы протекания тока в тонких плёнках существенно отличаются от процессов протекания тока в объёмном кремнии [12-13].
Целью данной работы является исследование электрофизических свойств ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом водородного переноса, в условиях анодного окисления.
Купить

1. Исследованы электрофизические свойства структур кремний на изоляторе (КНИ) в условиях анодного окисления. Проведен сравнительный анализ процессов анодного окисления КНИ-структур с различным химическим составом отсечённого слоя кремния в зависимости от толщины плёнки кремния на изоляторе в диапазоне 10-500 нм.
2. Обнаружено снижение скорости анодного окисления плёнок КНИ в 10 раз при уменьшении их толщины до 10 нм, по сравнению с соответствующими структурами на основе объемного кремния.
3. На основе полученных экспериментальных результатов по зависимостям скорости роста анодного окисла и толщины анодного окисла от толщины плёнки КНИ сделаны оценки дифференциальной напряженности электрического поля и эффективности анодного тока как функции толщины окисляемого слоя. Показано, что дифференциальная напряженность электрического поля в анодном окисле не зависит от толщины окисляемого слоя вплоть до величины 70 нм. Дальнейшее уменьшение толщины окисляемого слоя сопровождается ростом дифференциальной напряженности поля в окисле. Этот процесс может быть обусловлен влиянием вклада напряженности электрического поля в плёнке кремния. При утончении плёнки кремния с 600 до 40 нм эффективность анодного тока падает в 15 раз.
4. Установлено, что присутствие атомов германия в плёнке отсечённого кремния приводит к снижению скорости окисления в целом, повышенному росту дифференциальной напряженностей электрического поля в окисле и снижению эффективности анодного тока, по сравнению с плёнками, не содержащими германий. Для выяснения конкретного механизма влияния германия на электрофизические свойства КНИ-структур необходимы более подробные исследования в зависимости от концентрации германия на границе сращивания.

Купить