Influence of technological factors of silicon-on-sapphire structures’ defects

Mustafaev Gasan Abakarovich Doctor of Technical Science Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 zoone@mail.ru Other publications by this author     Panchenko Valerii Aleksandrovich PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 Panchenko@mail.cos Other publications by this author     Cherkesova Natal'ya Vasil'evna PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 natasha07_2002@mail.ru Other publications by this author

Mustafaev Arslan Gasanovich Doctor of Technical Science Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy 367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author

Технология кремний на сапфире (КНС) является одной из перспективных для изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью упаковки. Сапфировая подложка имеет много технологических преимуществ: высокая твердость, отличные изолирующие свойства и высокая теплопроводность, прозрачность в ультрафиолетовом диапазоне ^[1]. Из-за снижения паразитных емкостей повышается быстродействие элементов, а отсутствие необходимости в дополнительной изоляции элементов друг от друга, позволяет увеличить степень интеграции элементов. Диэлектрическая подложка позволяет практически исключить токи утечки приборов и снизить энергопотребление.

В силу различий параметров кристаллических решёток подложки (сапфир) и осаждаемого материала (кремний), в приграничной к границе раздела области кремния создаются большие напряжения, а различие коэффициентов теплового расширения делает эти напряжения еще больше ^[2].

В работах ^{[3, 4]} показана возможность снижения плотности дефектов упаковки с помощью ионного внедрения, аморфизирующего кремниевый слой, и многоэтапных высокотемпературных отжигов. Вместе с тем не оптимизированы параметры процессов ионного внедрения и отжига, в частности выбора оптимальной энергии внедрения ^[5].

Определение механизма гетероэпитаксии кремния на сапфире яв­ляется необходимым условием создания интегральных схем на этой изо­лирующей подложке ^[6]. Известно, что при обычном химическом осаждении кремния из паровой фазы на сапфировую подложку между Si и Al₂O₃ образуется промежуточный слой, благодаря чему становится возможным сопряжение по решетке выращенного материала с подложкой ^[7]. Структура промежуточного слоя является алюминосиликатной Al₂SiO₅ что означает образование допол­нительных Si-О и новых Аl-О связей. Толщина промежуточного слоя определяется условиями химического осаждения. При многолучевом изображении решетки в просвечивающем электронном микроскопе над промежуточным слоем в пленке Si наблюдаются дефекты упаковки, микродвойники, дислокации, упругие напряжения ^[8]. Из кристаллографических принципов следует ожидать, что для успешной гетероэпитаксии между напыляемым материалом и подложкой должно быть:

· подобие их симметрии, координации и типа связи;

· сопряжение по решёточным параметрам.

КНС-структура не соответствует этим принципам, хотя слои кремния (100) успешно выращиваются на плоскостях сапфира (1012), (1124), (0001) и (1120). Предполагается, что связь между кремнием и сапфиром осуществляется через тетраэдрически координированный кислород. Даже при слабом травлении сапфира на его поверхности можно обнаружить кислород, связанный в [SiO₄] и [AlO₄] тетраэдры или подобные конфигурации. Длина связей О-О в этих тетраэдрах подобна аналогичной длине связей в объеме Al₂O₃. Благодаря специфическим свойствам таких тетраэдров - возможность вращательного движения тетраэдра как целого, варьирование длины связей и углов между ними, замещаемость катионов (Al- Si) становится реальным подогнать параметры решетки между кремнием и сапфировой подложкой.

С помощью обратного рассеяния ионов Не⁺ с энергией 1.4 МэВ анализировались эпитаксиальные слои Si на сапфировой подложке Al₂O₃, особенно в области, граничащей с подложкой. Кремний выращивался методом химического осаждения из паровой фазы (пиролизом SiH₄/H₂) в два этапа: в течение нескольких секунд с высокой скоростью осаждения, а затем со скоростью 0.3 мкм/мин при 1000 °С. Этим достигалась очень малая толщина промежуточного слоя, доступного для исследования в просвечивающем электроном микроскопе. Изучалась функция деканалирования A(d):

по которой, согласно модели деканалирования ионов, можно оценить концентрационный профиль распределения дефектов по глубине при условии известной информации о типе дефектов. Величина cmin определяется из соотношения:

которое связывает спектральные характеристики обратного рассеяния первичных ионов Не⁺ падающих в произвольном Yrandom и в каналированном Y^[100] вдоль оси ^[100] направлениях. cmin- минимальное значение для недеформированного кремния (100). Эпитаксиальные слои последовательно утоньшались при помощи анодного окисления и химического травления оксида с регистрацией изменений A(d).

Рис. 1. Спектр обратного рассеяния ионов He⁺ КНС-структуры (1012) при различных толщинах пленки кремния

На рис. 1 представлен спектр обратного рассеяния ионов Не⁺ для эпитаксиальных слоев кремния (100) различной толщины: d_Si= 0.2, 0.3 и 0.9 мкм соответствуют спектры 1, 2 и 3 для произвольного падения ионов Не⁺ и спектры 1', 2' и 3' для каналированных ионов. Из сравнения спектров каналированных ионов Не⁺: для эпитаксиальных слоев и монокристаллического кремния следует, что в эпитаксиальных слоях присутствует достаточно много дефектов решетки. Заметен резкий подъем в тех областях спектра обратного рассеяния, которые соответствуют промежуточной области между слоем и подложкой. Очевидно, что имен­но в этой области локализованы дефекты, которые дают максимальный вклад в каналирование падающих ионов He⁺.

Рис. 2. Спектры обратного рассеяния при произвольном падении ио­нов Не+ для КНС (измеренный (·) и рассчитанный (-))

На рис. 2 показаны измеренный и рассчитанный спектры обратного рассеяния при произвольном падении ио­нов Не⁺ для эпитаксиального слоя кремния толщиной 0.18 мкм на сап­фире. Незначительные расхождения могут быть объяснены тем, что при расчете не учитывалось среднеквадратичное отклонение в спектре энергетических потерь для падающих ионов Не⁺. Из хорошего совпа­дения измеренного и рассчитанного спектров следует, что можно оце­нить только предельную толщину возможного промежуточного слоя, значение которой определяется разрешением детектора (~15 кэВ) и должно быть меньше 0.03 мкм. Тем не менее, этот слой, содержащий атомы алюминия, кремния и кислорода, оказывает значительный эффект на форму спектра обрат­ного рассеяния.

На рис. 3 представлены результаты Оже-анализа структуры КНС n-типа с толщиной слоя кремния 0.5 мкм. Между эпитаксиальным сло­ем кремния и сапфировой подложкой хорошо выявляется переходный слой. Оценка толщины этого слоя по времени ионного травления дает величину порядка десяти нанометров, а анализ его со­става допускает предположение об аморфной природе всего переходно­го слоя или его части.

Рис. 3. Распределение основных компонентов структуры КНС в зависимости от времени ионного травления.

Переход кремний-сапфир представляет собой область переменного состава – со структурой мозаичного монокристалла, толщиной 10 нм и более, включающую кремний и алюмосиликатные соединения.

Переходная область, образующаяся в результате наращивания на поверхности сапфира эпитаксиального кремниевого слоя, состоит преимущественно из алюмосиликатов и представляет в целом сильно неупорядоченную систему со значительным содержанием аморфной фазы. Наряду с алюмосиликатами в составе переходной области присутствует кремний, вероятно, в виде мозаичных кристаллов или (и) поликристаллов. Известно ^[9], что материал с таким неупорядоченным строением обладает высокой плотностью локализованных состояний, энергетически расположенных в зазоре подвижности, ширина которого, как следует полагать, значительно больше ширины запрещенной зоны эпитаксиального кремния. Плотность и энергетическое распределение локализованных состояний непосредственно связаны со структурой и должны сильно зависеть от технологических особенностей формирования переходной области. Важно подчеркнуть, что наличие между кремнием и сапфиром прослойки широкозонного материала с высокой плотностью локализованных состояний оказывает сильное влияние на электрофизические процессы в структурах КНС. Так, перераспределение носителей заряда между локализованными состояниями и зонами в кремнии при термодинамическом равновесии приводит к появлению в кремнии области пространственного заряда (ОПЗ), эквивалентной наличию на границе раздела сосредоточенного заряда. Такое представление о природе заряда на границе кремний-сапфир хорошо согласуется с результатами работ по исследованию влияния технологических факторов на характеристики границы раздела ^{[10, 11]}.

В случае полевого транзистора на КНС неупорядоченная прослойка создает дополнительный канал утечки между стоком и истоком. Преобладающий механизм прохождения тока в такой системе связан с инжекцией носителей заряда из контактных областей и их переносом с участием ловушек в объеме, в качестве которых выступают локализованные состояния. Проводимость канала зависит от плотности локализованных состояний в переходной области, так и инжекционных характеристик контакта и по этим причинам может сильно различаться для контактов n- и p- типов. Проводимость канала в режиме ОПЗ изменяется от степенной в области малых полей к экспоненциальной при больших полях (10⁴ В/см) вследствие эффекта Пула- Френкеля.

Таким образом, учет неупорядоченного характера строения перехода кремний-сапфир устанавливает причинную связь между зарядом на границе в структуре КНС и током утечки полевого транзистора и позволяет с единых позиций объяснить совокупность экспериментальных фактов, относящихся к этим вопросам ^[12].

Для снижения токов утечки, уменьшения напряжений в КНС-структурах и улучшения параметров приборов разработан способ создания полупроводникового прибора ^{[13, 14]}, основанный на формировании изолирующей подложки под слоем кремниевой пленки слоя диоксида кремния со скоростью осаждения 0.02 мкм/мин, толщиной 0.2- 0.4 мкм при температуре подложки 700-1080 °С. При этом на границе раздела кремниевая пленка- изолирующая подложка происходит снижение плотности структурных дефектов из-за уменьшения несоответствия решеток. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры МДП-структур различных конструкций

Из табл. 1 видно, что предложенная конструкция обеспечивает создание полупроводникового прибора с улучшенными параметрами. Способ изготовления полупроводникового прибора защищен патентом РФ ^[15].