Как влияет давление на свойства межфазной границы кремний-стекло
Буланова. М.,,
,
Миниатюризация полупроводниковых приборов, с точки зрения технологии не представляет большой сложности. Даже небольшие микросхемы поколения сверхбольших интегральных схем (СБИС) содержат миллионы отдельных приборов. Но уменьшение размеров приводят к побочным негативным эффектам на их поверхностях, такими как утечки тока, “паразитные” токи и т. д.. Это связано с окислением поверхности из за содержания кислорода в воздухе, термо, пневмо или радиационным воздействием из вне.
Одним из решения данной проблемы является защитное покрытие или пассивация поверхностей приборов диэлектрической пленкой. Технологии покрытия в настоящий момент считаются сравнительно малоизученным. Дело в том, что сама пассивация может привести к тем самым проблемам которые описывались выше. А значит перед учеными стоит проблема выбора “правильной” технологии покрытия. Под “правильной ” технологией подразумевается набор условий при которых минимизируются ухудшение параметров полупроводниковых приборов.
Если взглянуть в глубь данной проблемы, то надо сказать, что межфазные границы раздела полупроводник - диэлектрик, сформированные при помощи термического окисления, содержат большое число напряженных или не завершенных валентных связей, в результате чего обладают повышенной чувствительностью к воздействию внешнего давления. Ответственными за изменение свойств границы раздела, под воздействием давления, могут являться механические напряжения, стимулирующие гетерирование термических дефектов из объема полупроводника [1], либо примеси, локализованные в переходном слое полупроводник - диэлектрик и взаимодействующие с поверхностными состояниями [2]. Легкоплавкие стекла, нанесенные на поверхность полупроводника при пониженных температурах, уменьшают вероятность образования термических дефектов и снижают механические напряжения границы раздела.
Как может влиять давление на параметры полупроводниковых приборов? Все зависит от силы давления, процентного содержания компонентов диэлектрического покрытия и т. д. Рассмотрим исследование целью которого являлось исследование всестороннего сжатия на параметры границы раздела - кристаллический кремний - свинцово-боросиликатное стекло. Структуры подвергались всестороннему сжатию до 8 кБар. Для исследования использовались методы высокочастотных ( 1мГц) вольт - фарадных характеристик и изотермической релаксации емкости структур металл - диэлектрик - полупроводник.
На рисунке приведены вольтфарадные характеристики (нормализованные к величине емкости слоя стекла) одной из исследуемых структур, до приложения давления (1) и подвергнутых давлению в 7 кБар (2). Видно, что после воздействия давления вольт-фарадные характеристики сдвигаются в сторону отрицательных напряжений и изменяют свою форму. Более того, вольт - фарадные характеристики всех структур подвергнутых двлению большем 4 кБар, приобретают ярко выраженные гистерезисные свойства. Согласно существующим теориям, параллельный сдвиг вольт - фарадных характеристик в сторону отрицательных напряжений указывает на образование положительного (фиксированного) заряда в структуре стекла, а изменение формы вольт-фарадных характеристик свидетельствует об увеличении заряда поверхностных состояний. Для подтверждения предположения о формировании фиксированного положительного заряда в стекле исследуемых структур, после воздействия давления, измерялся тангенс угла диэлектрических потерь при различных температурах (- 10…+50 0 С) и частотах (100 кГц … 2мГц). Сравнение полученных данных позволило установить, что во всех структурах тангенс угла диэлектрических потерь имеет характерный релаксационный максимум. Однако в исследованных структурах, подвергнутых давлению большем 3 кБар, диэлектрические потери значительно возрастают. Эффективный интегральный заряд ( заряд поверхностных состояний и заряд локализованный в стекле в близи границы раздела ) измеренный при напряжениях, соответствующих напряжениям плоских зон, в структурах подвергнутых давлению, превышает интегральный заряд контрольных структур на 20-30%. В работах [3,4] было показано, что гистерезис вольт - фарадных характеристик структур Металл-Диэлектрик-Полупроводник с диэлектриком на основе свинцово - боросиликатных стекол (не подвергнутых давлению) связан с процессами перезарядки центров, локализованных в стекле в близи границы с полупроводником, и способных обмениваться зарядами с поверхностными состояниями. Таким образом, влияние всестороннего сжатия, на структуры, исследованные нами, сводится к увеличению механических напряжений, как на границе раздела, так и в слоях стекла и полупроводника, прилегающих к границе, увеличению числа деформированных и оборванных связей в структуре стекла и к увеличению плотности поверхностных состояний. Увеличение оборванных связей в структуре стекла приводит к росту положительного заряда в нем. При увеличении обогащяющего напряжения электроны из обогащенного слоя захватываются на положительно заряженные центры, уменьшая положительный заряд стекла. При росте инверсионного напряжения захваченные электроны возвращаются в полупроводник и рекомбинируют с зарядом инверсионного слоя. При этом скорость обмена зарядов с оборванными связями в структуре стекла определяется расстоянием от границы раздела, на котором локализуется тот или иной центр захвата.
Литература
[1] , , Алимов давления на перераспределение глубоких центров в МДП структурах. Известия вузов. Физика. 1991, №1, с.121-122.
[2] , Власов характеристики границы раздела кремний - свинцово-боро-силикатное стекло. Микроэлектроника. 2001. том.30, №6. стр.466-470.
[3] , , Тургунов пассивирующих покрытий на основе свинцово-боро - силикатных стекол. Неорганические материалы. 2002. том 38, № 6, стр. 750-754.
[4] , , исследование температурной зависимости генерационных характеристик границы раздела кремний - свинцово-боро-силикатное стекло. Микроэлектроника. 2003. том.32, №2. стр.121-123.
