Это HTML версия файла http://www.infomag.ru:8082/dbase/J080R/981020-006/pg005.pdf. G o o g l e автоматически генерирует HTML версии документов в то время как мы исследуем интернет. Используйте следующий адрес для ссылок и закладок на эту страницу: http://www.google.com/search?q=cache:1sntYQ6iFdYC:www.infomag.ru:8082/dbase/J080R/981020-006/pg005.pdf+%E8%EC%EF%EB%E0%ED%F2%E0%F6%E8%FF+%EB%E0%E4%E0+30&hl=ru Google никак не связан с авторами этой страницы и не несёт ответственности за её содержимое. Эти слова выделены:  имплантация  лада  30

---

Page 1

Физика и xимия обработки материалов

1998, №2, с.5-8

УДК 621.382

Исследование влияния ионной имплантации

на дефектность пленок двуокиси кремния,

пассивированных фосфорно-силикатным стеклом

© 1998

А.А.Столяров

Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана, Калужский филиал

Поступила в редакцию 22 декабря 1997 г.

Рaссмотрено влияние ионной имплантации бора на дефектность диэлектрических слоев МДП-

структур. Показано, что под действием ионной имплантации в пленках двуокиси кремния,

пассивированных фосфорно-силикатным стеклом в отличие от пленок SiO

2

наблюдается

увеличение дефектности. Обнаруженные дефекты могут быть устранены термическим отжигом.

The effect of boron ion implantation on defects of MOS-structure dielectric layers is studied. It is shown

that at silicon dioxide passivated by phosphorus-silicate glass under ion implantation is observed in-

crease of defects than SiO

2

layers. This defects can be annihilated by thermal anneal.

Введение

Одним из важнейших этапов в производстве

МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) ин-

тегральных схем (ИС) является комплекс техноло-

гических операций, связанных с формированием

подзатворного диэлектрика, качество которого в

значительной степени определяет надежность МДП

ИС. На дефектность термической двуокиси кремния

существенное влияние оказывают не только качество

поверхности полупроводниковой подложки и

режимы окисления, но и проведение техноло-

гических операций, выполняемых после получения

пленки окисла — стабилизация окисла фосфорно-

силикатным стеклом (ФСС), ионная имплантация,

термический отжиг и металлизация. Поэтому

вызывают интерес исследования изменения де-

фектности диэлектрической пленки в процессе

формирования подзатворного диэлектрика. В [1]

рассматривалось влияние на дефектность изоляции

и зарядовой стабильности подзатворного диэлек-

трика режимов проведения термического отжига.

Широко исследовались и стабилизирующие свой-

ства слоя ФСС на термической двуокиси кремния

[2] и процессы зарядовой нестабильности в пленках

двуокиси кремния, в которые ионной имплантацией

вводились ионы фосфора или бора [3]. Вместе с тем,

влияние ионной имплантации на дефектность

диэлектрической пленки двуокиси кремния пассиви-

рованной фосфорно-силикатным стеклом изучено

недостаточно.

Настоящая работа посвящена исследованию

влияния ионной имплантации бора на изолирующие

свойства диэлектрических пленок двуокись крем-

ния-ФСС.

Материалы и методика эксперимента

Исследовались тестовые МДП-конденсаторы

площадью 1,5 мм

2

, изготовленные на пластинах

КЭФ-4,5 с кристаллографической ориентацией

<100>. Двуокись кремния толщиной 100 нм полу-

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ НА МАТЕРИАЛЫ

---

Page 2

6

Физика и химия обработки материалов 1998, №2

А.А.Столяров Исследование влияния ионной имплантации...

чали термическим окислением кремния в атмосфере

кислорода при температуре 1000°C с добавлением

3%HCl. Пленку ФСС формировали диффузией

фосфора из газовой фазы путем пиролиза смеси

POCl

3

-O

2

при температуре 900°C. Алюминиевую

пленку толщиной 1,2 мкм напыляли магнетронным

методом, после чего, используя фотолитографию,

формировали Al электроды и удаляли окисел с

обратной стороны пластины. Толщина пленки ФСС

составляла 10 нм и определялась как разность

толщин диэлектрической пленки, измеренных

эллипсометричским методом до и после травления

в селективном травителе (31 мл азотной кислоты,

46 мл фтористоводородной кислоты, 923 мл

деионизованной воды).

Имплантация ионов бора проводилась на

установке ионного легирования “Лада-30”. Энергия

ионов составляла 40 кэВ, доза имплантации 0,05

мкКл/см

2

.

Дефектность подзатворного диэлектрика кон-

тролировались методом измерения напряжения

микропробоя [4] при линейно изменяющемся

напряжении и токе фиксирования 10

-8

А с помощью

измерителя ИМП-2М. На каждой исследованной

пластине проводилось измерение напряжения

микропробоя у 100 МДП-структур. В качестве

информативного параметра использовалась высота

главного пика гистограмм распределения МДП-

структур по напряжению микропробоя H [5]. Плот-

ность подвижного заряда, измеренного по методу

термополевой обработки (T=200°C, V=+20 В), не

превышала 2·10

-10

Кл/см

2

для всех исследуемых

образцов.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Для исключения влияния на результаты изме-

нений дефектности подзатворного диэлектрика по

площади пластины и в партии пластин иссле-

довались изолирующие свойства диэлектрических

слоев МДП-структур на пластинах, изготовленных

в разных партиях и расположенных в центре и по

краям пластин.

Исследования изменения дефектности терми-

ческой двуокиси кремния в различных партиях

пластин показали, что от партии к партии наблю-

дается существенное изменение изолирующих

свойств диэлектрика. В частности, высота главного

пика гистограммы распределения для МДП-

структур, изготовленных в различных партиях, по

напряжению микропробоя варьировалась от 0,17 до

0,34 В

-1

, в то время как в одной партии значения

высоты главного пика гистограммы распределения

структур по напряжению микропробоя на отдель-

ных пластинах были близки между собой,

Н=0,02-

0,03 В

-1

. Следовательно, дефектность подзатворного

диэлектрика может изменяться в широких пределах

от партии к партии пластин, оставаясь близкой для

пластин, изготовленных в одной партии.

Оценка равномерности распределения дефект-

ности тонкопленочного диэлектрика по площади

пластины проводилась путем измерения напряжения

микропробоя структур, расположенных в центре

пластины и на краях. Установлено, что двуокись

кремния имеет одинаковую степень дефектности в

пределах одной пластины. Об этом свидетельствуют

малые значения разброса высот главных пиков

гистограмм в центре и по краям исследованных

пластин

Н=0,006-0,032 В

-1

.

Так как дефектность подзатворного диэлектрика

в различных партиях изменяется, то исследование

влияния ионной имплантации на дефектность

диэлектрических слоев МДП-структур проводилось

на пластинах, прошедших операцию окисления в

одной партии. Оценка дефектности осуществлялась

как на пластинах-“спутниках”, содержащих МДП-

структуры площадью 1,5 мм

2

, так и на рабочих

пластинах, подзатворный диэлектрик которых

формировался в окнах, вскрытых в толстом окисле.

Для контактирования на рабочих пластинах при-

менялся ртутный зонд площадью 1 мм

2

. На рис.1-3

приведены гистограммы распределения МДП-

структур по напряжению микропробоя на пластинах-

спутниках, прошедших операции окисления,

стабилизации ФСС и ионной имплантации бора.

Установлено, что операция стабилизации слоем

ФСС заметно улучшает качество диэлектрика МДП-

Рис.1. Гистограммы распределения МДП-структур по напря-

жению микропробоя на пластинах, прошедших: 1 —

окисление, стабилизацию ФСС, металлизацию; 2 —

окисление, металлизацию.

---

Page 3

7

Физика и химия обработки материалов 1998, №2

А.А.Столяров Исследование влияния ионной имплантации...

структур, в которых уменьшается количество

дефектов. Это следует из сравнения гистограмм

пластин, прошедших операции окисления и метал-

лизации, с гистограммами пластин после операций

окисления, стабилизации ФСС и металлизации.

Высота главного пика для пластин после стаби-

лизации ФСС почти в полтора раза больше,чем для

пластин, не прошедших операцию стабилизации

ФСС (рис.1). Полученные результаты совпадают с

данными работы [1], где также отмечалось снижение

дефектности диэлектрической пленки после стаби-

лизации ее ФСС.

Уменьшение дефектности после проведения

стабилизации ФСС может быть связано с уско-

ренным ростом пленки ФСС в областях дефектов, а

также с экранированием локальных неоднород-

ностей диэлектрика и границы раздела полупровод-

ник-диэлектрик отрицательным зарядом электронов,

захваченных в слое ФСС дефектных областей при

измерении напряжения микропробоя.

Следует отметить, что на дефектность ди-

электрической пленки существенное влияние

оказывают не только операции, непосредственно

связанные с формированием подзатворного диэлек-

трика, но и технологические операции, проводимые

после его получения. В частности, проведенные

исследования дефектности МДП-структур по-

казали, что операция удаления кремниевой крошки

при напылении алюминия с кремнием в качестве

верхнего электрода обуславливает снижение высоты

главного пика гистограммы распределения структур

по напряжению микропробоя с 0,4 до 0,15 В

-1

.

Ионная имплантация бора с точки зрения

дефектности не оказывает заметного влияния на

изолирующие свойства двуокиси кремния. К такому

заключению приводит сравнение гистограмм

распределения МДП-структур по напряжению

микропробоя пластин, прошедших технологические

операции окисления и металлизации, и пластин

после операций окисления, ионной имплантации и

металлизации (рис.2). Высоты главных пиков

гистограмм близки между собой,

Н=0-0,01 В

-1

, что

свидетельствует о близком уровне дефектности

тонкопленочного диэлектрика.

Ионная имплантация, проведенная после

стабилизации двуокиси кремния ФСС, увеличивает

дефектность диэлектрической пленки. Это выра-

жается в уменьшении высот главных пиков гисто-

грамм пластин, прошедших окисление, стабили-

зацию, ионную имплантацию и металлизацию

(рис.3). Высота главного пика гистограммы распре-

деления структур по напряжению микропробоя

после проведения ионной имплантации снижается

с 0,37 до 0,18 В

-1

. Это указывает на то, что наличие

пленки ФСС толщиной 10 нм на поверхности

двуокиси кремния оказывает существенное влияние

на взаимодействие ионов бора с диэлектриком.

Выяснение природы данного эффекта требует

проведения дополнительных исследований. Под

действием ионной имплантации не только увели-

чивается плотность дефектов изоляции, но и

появляются дефекты зарядовой стабильности [6]. В

частности, в МДП-структурах с диэлектрической

пленкой SiO

2

-ФСС, подвергнутой ионной имплан-

тации, наблюдался повышенный рост отрица-

тельного заряда в диэлектрике, сопровождающийся

снижением заряда, инжектированного в диэлектрик

до пробоя, в условиях высокополевой туннельной

Рис.2. Гистограммы распределения МДП-структур по напря-

жению микропробоя на пластинах, прошедших: 1 —

окисление, металлизацию; 2 — окисление, ионную

имплантацию бора, металлизацию.

Рис.3. Гистограммы распределения МДП-структур по напря-

жению микропробоя на пластинах, прошедших: 1 —

окисление, стабилизацию ФСС, металлизацию; 2 —

окисление, стабилизацию ФСС, ионную имплантацию

бора, металлизацию.

---

Page 4

8

Физика и химия обработки материалов 1998, №2

А.А.Столяров Исследование влияния ионной имплантации...

инжекции с 10

-2

до 5·10

-4

Кл/см

2

. Обнаруженные

дефекты пленки SiO

2

-ФСС, создаваемые ионной

имплантацией бора, отжигаются в результате

проведения термического отжига в среде азота при

температуре 1000°С. В [1] было показано, что

оптимизация режимов термического отжига (рас-

хода газа и времени выгрузки из печи) позволяет

снизить дефектность подзатворного диэлектрика до

уровня, близкого к дефектности термической

двуокиси кремния после окисления.

Результаты исследований дефектности ди-

электрических слоев после проведения окисления,

стабилизации ФСС и ионной имплантации бора, для

пластин-спутников и рабочих пластин приведены в

таблице. Изменение дефектности пленки ди-

электрика на рабочих пластинах имеет такой же

характер, как и на пластинах-спутниках. Ионная

имплантация, проводимая после стабилизации

двуокиси кремния ФСС, увеличивает дефектность

диэлектрической пленки.

Таблица

Н, В

-1

№ Технологические операции

пластины-

Рабочие

спутники пластины

1 Окисление

0,26

0,22

2 Окисление, стабилизация ФСС

0,36

0,28

3 Окисление, ионная имплантация.

0,25

0,21

4 Окисление, стабилизация ФСС,

ионная имплантация

0,18

0,11

Некоторое повышение общего уровня дефект-

ности, выражающееся в меньших значениях высоты

главных пиков гистограмм распределения структур

по напряжению микропробоя, может быть связано

с влиянием участков диэлектрической пленки,

расположенных по периметру областей подзатвор-

ного диэлектрика МДП-транзисторов на границе

тонкого и толстого окислов. Сравнение экспери-

ментальных данных, приведенных в таблице для

пластин-спутников и рабочих пластин, показывает,

что от 15 до 30% дефектов диэлектрической пленки

на рабочих пластинах может быть связано с

краевыми участками, расположенными по пери-

метру подзатворных областей. На рабочих пластинах

под действием ионной имплантации происходит

большее увеличение дефектности по сравнению с

пластинами-спутниками (таблица). Снижение вы-

соты главного пика на пластинах-спутниках соста-

вило 0,07 В

-1

, а на рабочих пластинах — 0,1 В

-1

. Это

может указывать на повышенную чувствительность

к дефектообразованию в условиях ионной имплан-

тации краевых участков подзатворных областей,

расположенных у границы “толстый окисел-

подзатворный диэлектрик”.

Выводы

Установлено, что под действием ионной им-

плантации бора в пленках SiO

2

-ФСС, в отличие от

пленок двуокиси кремния, наблюдается повышение

дефектности. Дефектность диэлектрических слоев

на рабочих пластинах превышает дефектность

подзатворного окисла. От 15 до 30% дефектов может

быть связано с краевыми участками подзатворного

диэлектрика.

Литература

1. Андреев В.В, Барышев В.Г., Парфенов О.Д., Сидоров

Ю.А., Столяров А.А. Коррекция режимов термичес-

кого отжига систем диэлектрик-полупроводник на базе

информативных показателей качества диэлектричес-

ких слоев. Электронная техника, cер.6, Материалы,

1992, вып.2, с.66-68.

2. Валиев К.А., Дягилев В.Н., Лебедев В.И., Лубашевс-

кий А.В. Микромощные интегральные схемы. М.: Сов.

радио, 1975, 256 с.

3. Offenberg M, Meger R, Balk P. Nature of deforts in P-

and-B-doped SiO

2

. J.Vac.Sci.Technol., 1986, v.4, No.3,

p.1009-1012.

4. Барышев В.Г., Столяров А.А. Исследование дефект-

ности тонкопленочного диэлектрика методом микро-

пробоя. Электронная техника,. сер.6, Материалы,

1983, вып.9, с.72-74.

5. Барышев В.Г., Парфенов О.Д., Сидоров Ю.А., Столя-

ров А.А. Моделирование выхода годных микросхем

по дефектности подзатворного диэлектрика. Техноло-

гия и конструирование в электронной аппаратуре,

1992, вып.2, с 57-58.

6. Масловский В.М., Личманов Ю.О., Семанович Е.В.

Влияние протяженных дефектов на пробой тонкопле-

ночных МДП-структур. Письма в ЖТФ, 1993, т.19,

вып.24, с.11-16.