14 ВЕСЦІ НАЦЫЯНАЛЬНАЙ АКАДЭМІІ НАВУК БЕЛАРУСІ № 4 2014 СЕРЫЯ ФІЗІКА-ТЭХНІЧНЫХ НАВУК УДК 621.382 В. Б. ОДжАЕВ1, А. н. ПЕТЛИцКИЙ2, В. С. ПРОСОЛОВИЧ1, А. С. ТУРцЕВИЧ2, С. В. ШВЕДОВ2, В. А. ФИЛИПЕнЯ2, В. В. ЧЕРныЙ3, В. Ю. ЯВИД1, Ю. н. ЯнКОВСКИЙ1, В. А. ДУБРОВСКИЙ1 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОП-ТРАНЗИСТОРА 1 Белорусский государственный университет, 2 Открытое акционерное общество «ИнТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИнТЕГРАЛ», 3 Белорусский национальный технический университет (Поступила в редакцию 13.03.2014) Введение. При производстве КМОП-структур требуется большое число технологических операций, особенно при использовании МДП-технологии [1–3] . Производственный контроль ка- чества является составной частью типового технологического процесса и сводится к определе- нию двух составляющих: явных дефектов, характеризующих процент выхода годных изделий, и скрытых дефектов, снижающих их надежность . Цели производственного контроля – получе- ние требуемого качества приборов, своевременная отбраковка дефектных изделий на различных этапах изготовления . Важными являются выбор химических реактивов и такая последователь- ность технологических (особенно высокотемпературных) операций, которая в максимальной степени исключала бы попадание в структуру неконтролируемых (технологических) примесей . В связи с вышесказанным актуальным является выявление причин лабильной воспроизводимо- сти основных характеристик МОП-транзисторов для установления факторов, определяющих на- дежность и стабильность эксплуатационных параметров интегральных микросхем . Объекты и методы исследований. В работе на измерителе параметров полупроводниковых приборов Agilent B 1500 A с применением зондовой станции Cascide Summit 11000 (минималь- ный возможный измеряемый ток составлял примерно 10–15 А) исследованы вольт-амперные (ВАХ) характеристики МОП-транзисторов, изготовленных в разное время по эпитаксиально- планарной технологии по аналогичным технологическим маршрутам при идентичных использу- емых технологических материалах (далее серии А и В) . Карманы размером 70×70 мкм создава- лись на пластинах кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом·см ионным легированием бора для p-кармана, ионным легированием фосфора и мышьяка для n-кар мана . Поликремниевый затвор, легированный до вырождения, имел размеры 10×10 мкм . Толщина под- затворного диэлектрика (SiO2) равнялась 7 нм . Экспериментальные результаты и их обсуждение. Сравнение выходных ВАХ МОП-струк- тур (рис . 1, а, б) показало, что приборы серии В обладают как более высокими значениями тока стока в режиме насыщения (Iс), так и более высокими напряжениями отсечки . При напряжении на затворе Uз = 3,3 В Iс = 0,3 мА для приборов серии В, Iс = 0,14 мА для приборов серии А . Напря- жение отсечки составляет соответственно 2,1 и 1,4 В . Если подвижность электронов µп не зави- сит от напряженности электрического поля, то Iс в канале шириной W полевого транзистора с изолированным затвором будет определяться следующим образом [4]: 2 c д з пор 1 ( ) 2 n W I C U U L = m - , (1) где Сд – удельная емкость диэлектрика, Uпop – пороговое напряжение . 15 Из выражения (1) видно, что при Uз = const и при W/L = const наблюдаемые различия в вели- чине Iс в первую очередь можно связать с изменением напряжения отсечки Uр = Uз – Uпop. По- скольку отношения экспериментальных значений В Ас с/ 0,30мA / 0,14мA 2,14I I = = и ( ) 2В А р р/U U = 2(1,7B/1,2B) 2,01= (Uз = 3,3 В) хорошо коррелируют между собой и согласуются с формулой (1), то можно сделать вывод, что отличия Iс и Up для приборов серий А и В обусловлены одной и той же причиной, которая, по-видимому, определяет величину порогового напряжения Uпop: А пор д 2 (2 ) 2 ,S BB qN U C e y = y + (2) где yВ – разность между уровнем Ферми в используемом материале и в собственном полупрово- днике, NА – концентрация легирующей примеси р-подложки . Из выражения (2) следует, что при- чиной изменения Uпop (при условии однородного легирования подложки) является непостоян- ство Сд, связанное с неконтролируемым зарядом, локализованным в области МОП-конденсатора (затвора) . Из анализа ВАХ определен также ряд других важных параметров МОП- структуры: ток насыщения, ток стока, проводимость МОП-транзистора в линейной области ВАХ, крутизна характеристики МОП-транзистора в линейной области, крутизна характеристи- ки МОП-транзистора в области насыщения (табл . 1) . Видно, что для транзисторов из серии А (табл . 1) значение тока и напряжения насыщения, крутизна в линейной области и в области на- сыщения, проводимость в линейной области меньше, чем у транзисторов из серии В . В то же время значение порогового напряжения у транзисторов из серии А выше, чем у транзисторов из серии В . Одна из возможных причин отличия параметров транзисторов, вероятно, также связана с величиной емкости подзатворного диэлектрика и его качеством, обусловленны- ми наличием встроенного заряда . Для проверки данного предположения проведено срав- нение отношения емкостей подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов из серий А и В (СiA/СiB), определенных на различных участках ВАХ [5, 6] исходя из проводимости в ли- нейной области, крутизны характеристики в линейной области, величины тока насыще- ния, крутизны в области насыщения (табл . 2) . Т а б л и ц а 1 . Параметры МОП-транзисторов, определенные из анализа вольт – амперных и стоковых характеристик Параметр МОП-транзистора Серия А Серия В Ток насыщения Iс нас при Uз = 3,3 В, мкА 138 280 Напряжение насыщения Uси нас, В 1,20 1,90 Пороговое напряжение Uпор, В 1,25 0,76 Крутизна характеристики МОП-транзистора в линейной области при Uси= 0,2 B, мкА/В 19 22,1 Крутизна характеристики МОП-транзистора в области насыщения при Uси= 2,9 B, мкА/В 100,3 175 Проводимость МОП-транзистора в линейной области при Uзи= 0,2 В, мкА/В 174 274 Рис . 1 . Выходные характеристики МОП-структур с каналом п-типа серий А (а) и В (б) (UЗ = 0–6 В, шаг 1 В) 16 Т а б л и ц а 2 . Отношение удельных емкостей подзатворного диэлектрика транзисторов в сериях А и В Метод определения Напряжение на затворе и стоке СiA/ СiB По проводимости Uси = 0,2 В, Uзи = 3,3 В 0,79 По крутизне в линейной области Uси = 0,2 В 0,86 По току насыщения Uзи = 3,3 В 0,76 По крутизне в области насыщения Uси = 3,5 В, Uзи = 2,9 В 0,75 Из табл . 2 следует, что вне зависимости от метода оценки отношения СiA/СiB значение емкости СiB выше ве- личины емкости СiA приблизительно на 20%, что одно- значно свидетельствует о дополнительном заряде [2, 4, 5, 7] встроенном в слой окисла подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов серии А . Это обусловлено тем, что на границе раздела Si–SiO2, полученной термическим окис- лением кремния, всегда присутствуют четыре различных по своей природе источника заряда: заряд быстрых по- верхностных состояний в полупроводнике, постоянный заряд в окисле, заряд на ловушках в слое окисла и заряд подвижных ионов . Энергетическая плотность быстрых поверхностных состояний непосредственно на границе Si–SiО2 сильно за- висит от режима получения окисла . Величина постоянно- го заряда в окисле зависит от режима окисления, условий отжига и вида предокислительных об- работок кремниевых пластин и загрязнения системы Si–SiО2 катионными примесями . Заряд на ловушках в слое окисла представляет собой объемный заряд, захваченный на энергетические уровни дефектов в SiО2 . Этот тип заряда ассоциируется с медленными поверхностными состоя- ниями . Заряд подвижных ионов связан с присутствием в окисле ионов щелочных (Na+, К+, Li+) и тяжелых металлов, попадающих в окисел из окружающей среды, и материалов, используемых в технологическом процессе . Исследованиями тока утечки (рис . 2) установлено, что величина тока через подзатворный диэлектрик для структур из серии В ниже соответствующего тока для структур из серии А при- мерно в 5 раз . Это свидетельствует о том, что электрическое сопротивление пленок подзатворно- го диэлектрика у структур серии В выше, чем у аналогичных структур серии А . Причиной на- блюдаемых различий, вероятно, является существенное загрязнение подзатворного диэлектрика приборов серии А технологическими примесями в процессе их изготовления . Такими загрязне- ниями могут быть ионы щелочных металлов (Na+, К+, Li+) и тяжелых металлов, адсорбирован- ные на поверхности, кислородные вакансии, ловушки в окисле, полярные молекулы, попадаю- щие в окисел из окружающей среды во время технологического процесса изготовления прибо- ров . Действительно, исследования на рентгенофлуоресцентном спектрометре Rigaku TXRF 3750 содержания металлических примесей на поверхности пластин методом полного внешнего отра- жения рентгеновского излучения [8, 9] показали, что вся поверхность пластин из серии А по- крыта слоем Fe со средней концентрацией 3,4·1011 ат/см2 . Наблюдаются также пятна Cl, K, Ca, Ti, Cr, Cu, Zn . На пластинах серии В наблюдаются только пятна Cl по периферии пластины . Содер- жание всех остальных примесей было ниже предела обнаружения (по Fe < 4,0·109 ат/см2) . Заключение. Установлено, что электрофизические характеристики МОП-транзисторов су- щественным образом зависят от качества подзатворного диэлектрика . Наличие дополнительно- го встроенного заряда в диэлектрике, а также быстрых поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2 приводит как к увеличению порогового напряжения, так и снижению тока и на- пряжения насыщения, крутизны характеристики МОП-транзистора в линейной области и в об- ласти насыщения, проводимости структуры в линейной области . Возрастают также токи утечки затвора . Наиболее вероятной причиной ухудшения электрофизических параметров МОП-тран- Рис . 2 . Зависимость тока утечки затвора МОП-структуры от напряжения на затворе зисторов является загрязнение материала технологическими примесями (Fe, Cl, Ca, Cu, Zn и др .) во время производственного процесса изготовления приборов . Источниками загрязне- ний могут служить как детали и узлы технологических установок, так и используемые матери- алы и реактивы . Литература 1 . Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на кремнии / Под ред . А . С . Турцевича . В 3 т . Мн ., 2013 . С . 302–504 . 2 . Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов . М ., 2008 . С . 239–294 . 3 . Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника . Физические и технологические основы, на- дежность . М ., 1986 . С . 20–39 . 4 . Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов (перевод с английско го) в двух частях . М ., 1984 . С . 5–90 . 5 . Денисенко В. В. // Компоненты и технологии . 2009 . № 12 . С . 35–48 . 6 . Бочаров Л. н. Полевые транзисторы . М ., 1984 С . 42–59 . 7 . Зи С. М. Технология СБИС . В 2 кн . М ., 1986 . С . 120–127 . 8 . SEMI M33-0988 9 . Berneike W., Knoth J., Schwenke H., Weisbrod U.// Fresnius Z . Anal . Chem . 1989 . Vol . 333 . P . 524–526 . V. B. ODZAEV, A. N. PYATLITSKI, V. S. PRASALOVICH, A. S. TURTSEVICH, S. V. SHVEDAU, V. A. FILIPENIA, V. V. CHORNY, V. Yu. YAVID, Yu. N. YANKOUSKI, V. A. DUBROUSKI inFluenCe OF teChnOlOgiCal iMPurities On eleCtriCal ParaMeters OF MOs transistOr summary It is shown that the quality of gate dielectric has a determinative impact on electrical physical parameters of MOS transistors . Contamination of material by technological impurities during the manufacturing process is the reason for the deterioration of electrical physical parameters of MOS transistors . Sources of contamination can be components of technological equipments, as well as the materials and reagents .