03 марта 2016г.
Введение.
Технология кремний на сапфире (КНС) является одним из направлений технологии кремний на изоляторе (КНИ). Данная технология имеет ряд практических преимуществ: высокая химическая стойкость сапфира позволяет формировать элементы ИС путем вытравливания изолированных кремниевых островков, что повышает степень интеграции элементов и значительно упрощает процесс фотолитографии, высокое удельное сопротивление подложки позволяет применять КНС для изготовления СВЧ и радиационно-стойких приборов, малая толщина эпитаксиальных слоев КНС уменьшает паразитную емкость и увеличивает быстродействие элементов ИС одновременно с уменьшением энергопотребления.
Однако использование структур КНС влечет за собой ряд трудностей: плотность структурных дефектов в слоях КНС сравнительно велика, вследствие различия кристаллических решеток кремния и сапфира, что ведет к падению подвижности носителей заряда и снижению быстродействия ИС. Также известно, что электрофизические свойства эпитаксиальных структур КНС могут ухудшаться от дислокаций в глубоком гетероэпитаксиальном слое и высокой дефектности интерфейса кремний-сапфир [1,2].
В настоящее время, в российской микроэлектронике структуры КНС применяются в основном для производства n- и p-канальных МОП транзисторов КМОП ИС. На данный момент отечественная технология КНС позволяет формировать тонкие эпитаксиальные слои кремния толщиной до 300 нм на подложках лейкосапфира диаметром 150 мм. Для соответствия международным стандартам качества, необходимо обладать методом контроля концентрации дефектов приграничной области интерфейса кремний-сапфир, что позволит оптимизировать процесс производства КНС.
Теоретическая часть.
Структуры КНС, производимые ЗАО «ЭПИЭЛ», используются в производстве МОП транзисторов с индуцированным каналом. Дрейфовый поток носителей заряда проходит в подзатворной области (Рисунок 1. (б) области II и IV), поэтому такие характеристики проводящего канала, как подвижность носителей заряда и время их жизни, напрямую зависят от свойств эпитаксиального слоя кремния вблизи интерфейса кремний-воздух.
Еще одним определяющим параметром МОП транзистора является величина тока утечки при прямом смещении. При возрастании тока утечки, увеличивается энергопотребление и снижается максимально возможное пороговое напряжение прибора. В работе [4] показано, что основная область эпитаксиального слоя, плотность дефектов в которой определяет величину тока утечки, расположена вблизи интерфейса кремний-сапфир (Рисунок 1, (б) область III). Высокая концентрация дефектов в этой области приводит к повышению неоднородности профиля удельного сопротивления и обеднению носителями заряда за счет их захвата структурными дефектами (глубокие уровни) эпитаксиального слоя.
Таким образом, контроль электрофизических параметров и кристаллографического совершенства эпитаксиального слоя кремния на сапфире позволит изготавливать МОП транзисторы с желаемым набором характеристик. Метод контроля должен быть неразрушающим и бесконтактным.
До настоящего времени
кристаллографическое совершенство области
интерфейса кремний-сапфир определялось с помощью метода высоковольтного эффекта поля [5]. Возможности данного контактного метода позволяли получить
только локальную информацию и не давали представления об однородности распределения параметра
по площади структуры
КНС. Помимо этого,
существовали значительные ограничения по допустимому уровню легирования измеряемых эпитаксиальных структур.
В настоящее время
активно исследуются методики и оборудование для бесконтактного контроля состояния интерфейса кремний-сапфир методом поверхностной фото-ЭДС
[6]. Механизм измерения заключается в зондировании исследуемой области
эпитаксиального слоя световым
потоком с заданной
длинной волны, генерирующим избыточное количество электронно-дырочных пар, изменяющих электронную структуру
слоя, что отражается на величине поверхностного потенциала. Структуры КНС не требуют
дополнительной подготовки к измерениям, т.к. неоднородность электрофизических параметров по профилю эпитаксиального слоя создает встроенный потенциал. Характер изменения поверхностного потенциала связан с рекомбинационными процессами,
что позволяет судить
о концентрации структурных дефектов в объѐме
исследуемого слоя.
Экспериментальная часть.
Одним из воплощений метода поверхностной фото-ЭДС является установка «ЕРИПП», разработанная ЗАО «Телеком-СТВ» [7] (Рисунок 2). Засветка
области интерфейса кремний-сапфир, измеряемой структуры
КНС, осуществляется со стороны сапфировой
подложки с помощью импульсного светодиода (длинна волны 405 нм). Инжектируемый световой поток, проходящий без рассеяния
через подложку, формирует
неравновесную концентрацию электронно-дырочных пар в приграничной области интерфейса кремний-сапфир и создает фото- ЭДС, вследствие растекания заряда. Возникновение фото-ЭДС, в свою очередь,
изменяет поверхностный потенциал измеряемого участка, что регистрируется посредством сверхпроводящего ѐмкостного
электрода, расположенного вблизи
поверхности сапфировой подложки.
Усиленный регистрируемый аналоговый сигнал поступает на высокоскоростное АЦП, далее цифровая информация обрабатывается аналитически. После математической обработки, управляющая программа выдает информацию о величине амплитуды
изменения поверхностного потенциала (показатель фото-ЭДС),
выраженную в мВ. Даная величина является сравнительной количественной характеристикой концентрации структурных дефектов
в приграничной области
интерфейса кремний-сапфир.
ЗАО «Эпиэл» совместно с ОАО «Ангстрем» проведены исследования, направленные на поиск зависимости величины тока утечки
МОП транзисторов и показателя фото-ЭДС структур
КНС. Усредненные результаты измерения МОП транзисторов, изготовленных на структурах КНС с различным
показателем фото-ЭДС (ПФЭ), приведены на Рисунке 3.
Из приведѐнной выше зависимости можно
определить, что в диапазоне 100 - 450 мВ ток утечки имеет тенденцию к росту с ростом ПФЭ, но при этом не превышает максимально допустимое значение в 5 нА. В диапазоне выше 500 мВ имеются
приборы с допустимым значением тока утечки, однако
высокая неоднородность этого параметра делает затруднительным прогнозирование качества изготавливаемых
транзисторов. Полученные данные позволяют
использовать метод поверхностной фото-ЭДС для оптимизации технологического процесса получения структур
КНС.
В дополнение, проведенные работы позволили
найти зависимость между выходом годных кристаллов
на структурах
КНС диаметром 100 мм и значением
показателя фото-ЭДС, усредненного по площади
пластины. Измерения производились на прототипе установки «ЕРИПП»
с подвижным измерительным устройством, позволяющим
производить картографирование ПФЭ по площади.
Полученные данные также говорят
в пользу выбранного диапазона допустимых значений ПФЭ 100-450
Таким образом,
подтверждается, что состояние приграничной области
интерфейса
кремний-сапфир оказывает влияние на технологию изготовления приборов на КНС.
На основании
найденных зависимостей была проведена
оптимизация технологического процесса изготовления структур
КНС. Эпитаксиальные структуры
диаметром 100 мм были изготовлены в вертикальном реакторе LPE 2061S (Италия), оснащенным трѐхъярусным подложкодержателем (ПД). Сапфировые подложки в каждом процессе располагались на верхнем и нижнем ярусе ПД, температура на этапе осаждения варьировалась от 940 до 995 °С. Концентрация дефектов в приборных областях
(Рисунок 1. (б) область
II и IV) контролировалась с помощью метода УФ рассеяния [3,8],
который позволяет получать
усреднѐнное значение измеряемого параметра в относительных единицах (максимально допустимое значение
1 отн. ед.). Приграничная область интерфейса кремний-сапфир контролировалась с помощью метода
поверхностной фото-ЭДС на установке «ЕРИПП» (максимально допустимое значение
показателя фото-ЭДС 450 мВ).
На Рисунке
5 приведены зависимости, найденные в результате оптимизации. На графике
слева приводится зависимость УФ-рассеяния от температуры осаждения, которая позволяет
определить оптимальные условия для нормального полиморфного роста кремния
на сапфире. На графике справа показана зависимость ПФЭ от температуры осаждения, с помощью которой возможно
подобрать максимально допустимую температуру начальной стадии роста, обеспечивающую правильное зарождение, рост и коалесценцию кремниевых
островков. Зелеными
точками отмечены результаты измерений
структур, полученные на нижнем
ярусе ПД, синими – на верхнем ярусе ПД.
В результате проведенной оптимизации был найден
новый температурный интервал, примерно 950-960 °С, при котором изготавливаемые структуры удовлетворяют оба контролируемые параметра.
Выводы.
1) Наиболее подходящим методом контроля кристаллографического совершенства интерфейса кремний- сапфир является метод
поверхностной фото-ЭДС: измерение не требует
особой подготовки образцов, высокая экспрессность позволяет интегрировать метод в линейку
производственного контроля.
2) Концентрация дефектов в приграничной области
интерфейса кремний-сапфир оказывает влияние на характеристики и процент
выхода получаемых приборов
на КНС.
3)
С помощью
метода поверхностной фото-ЭДС
произведена оптимизация технологического процесса изготовления КНС, найден оптимальный температурный диапазон осаждения 950-960 °С.
Список литературы
1.
Cristoloveanu S., Li S.S. Electrical characterization of SOI materials
and devices // The Springer International Series in Engineering and Computer
Science, ser. vol. 305, Springer,
1995.
2.
Cristoloveanu S. Silicon films
on sapphire // Reports on Progress
in Physics, vol. 3, p. 327, (1987).
3.
Duffy M.T., Corboy
J.F. et all. Measurement of the near-surface crystallinity of silicon
on sapphire by UV reflectance // Journal
of Crystal Growth, vol. 58, p. 10-18, (1982).
4.
McGreivy D.J. On the origin of leakage currents
in Silicon-On-Sapphire MOS transistors // IEEE Trans on Elect. Devices, vol. ED-24 №. 6, p. 730-738,
June 1977.
5.
Сидоров А.И., Сальников
Л.А., Чумак В.Д. // Электронная техника сер. Материалы, вып. 5 (204), с.20-22, (1985).
6.
Яремчук А.Ф., Старков А.В., Соколов Е.М. // Известия
вузов. Электроника. №5(103), с. 14-18, (2003). 7. Патент РФ № 2515415 от 10.05.2014 г.
8. Патент РФ № 2141647
от 20.11.1999 г.
