авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Разработка и исследование технологических основ формирования легированных анодных пленок диоксида кремния

-- [ Страница 3 ] --

То есть в этих диапазонах зависимости скорости роста формирующего напряжения от концентрации легирующего компонента (H3BO3 или H3PO4) аппроксимируются выражением

.

Как следует из рис. 6 и 7 dU/dt имеет порядок меньше 1 по концентрации легирующего компонента.

Влияние концентрации H3PO4, H3AsO4 и H3BO3 в легирующих растворах электролитов на содержание фосфора, мышьяка и бора в анодном диоксиде кремния охарактеризовано в третьей главе.

Для количественной оценки концентраций P, As и B в ЛАОП использовали методы нейтронно-активационного анализа и твердотельного трекового детектора, которые имеют чувствительность 1014 и 1017 см-3 соответственно. Погрешность определения концентрации примесей не превышала 15 – 25%.

Для аппроксимации экспериментальных зависимостей концентрации атомов примесей в ЛАОП кремния (бора Nв, фосфора Nр) от содержания молекул кислот N и N в электролитах были использованы уравнения изотерм адсорбции Фрейндлиха и Ленгмюра в диапазонах менее и более высоких концентраций N и N соответственно.

Исследовано влияние одновременного легирования SiO2 фосфором и мышьяком на их концентрации в анодных оксидных пленках кремния.

Содержание P в ЛАОП во всех случаях, в том числе при отсутствии в электролите H3AsO4 составляло 51020 см-3. Концентрация мышьяка в ЛАОП была равна 11020 см-3.

Установлено, что при уменьшении содержания H3AsO4 в многокомпонентных электролитах почти на 2 порядка, NAs снижается только в 20 раз. При этом ее значение при массовой доле H3AsO4, равной 1,95 %, остается таким же, как и при отсутствии H3PO4 в растворе.

Следовательно, практически отсутствует антагонизм в процессах инжекции арсенат- и фосфат-анионов в ЛАОП на кремнии.

Распределение фосфора и бора по толщине ЛАОП исследовали методом Оже-электронной спектроскопии.

Полученные Оже-спектрограммы свидетельствуют о неравномерном распределении поглощенных из электролита примесей по толщине ЛАОП: вблизи поверхности и в средней части ЛАОП имеются слои с повышенной концентрацией фосфора и бора.

Исследовано также распределение примесей в фосфоросодержащих электролитически легированных термических оксидных пленках (ЭЛТОП).

Обнаружено, что содержание легирующих примесей во внутренних слоях пленок ниже, чем во внешних. Это, вероятно, вызвано неоднородностью их структуры в поперечном сечении, приводящей к неравномерному распределению потенциала по толщине ЭЛТОП в процессе гальваностатической анодной поляризации.

Более высокая концентрация бора, нежели фосфора в ЭЛТОП, по-видимому, обусловлена меньшими размерами ионов бора BO, чем PO.

Таким образом, при анодной поляризации структур Si-SiO2 в растворах фосфорной или борной кислот в органических растворителях происходит инжекция фосфат- или борат-анионов в диэлектрическую пленку. Причем внедренные из электролитов легирующие примеси неравномерно распределены по толщине оксидных пленок.

При реанодировании (повторном анодном окислении) нелегированных АОП кремния в фосфатных и боратных электролитах скорость роста новых слоев ниже средней скорости проникновения фосфат- и борат-анионов к границе Si-АОП.

При этом после реанодирования в легирующих электролитах увеличивалась также средняя скорость травления анодных пленок.

При анодном электролитическом легировании термических пленок диоксида кремния скорость проникновения фосфат-анионов составляла 0,31 нм/с, т.е. более, чем в 20 раз ниже по сравнению с пленками анодного SiO2. Скорость проникновения борат-анионов в пленки термического SiO2 равна 0,19 нм/с, т.е. также приблизительно в 20 раз ниже, чем в случае анодных пленок SiO2. Это, очевидно, обусловлено большей плотностью аморфных верхних слоев термических пленок SiO2 в сравнении с анодными пленками диоксида кремния.

Постоянный контроль качества поверхности ЛАОП осуществляли визуально и при помощи микроскопов МБС-1 и МИИ-4 по равномерности интерференционной окраски. Дальнейшее обследование выявленных областей нарушения однородности проводили на микроскопах «Неофот-2» и «Аксиомат-НАЦ», обеспечивающих увеличение до х2000 и х3000 соответственно.

Для более детального изучения особенностей морфологии и строения ЛАОП были использованы растровые («Стереоскан 150» и «Новаскан») и просвечивающий ЭМ В 100 Л электронный микроскопы.

В результате контроля поверхности образцов до и после анодирования было установлено, что при формировании до значений напряжения, соответствующих линейным участкам вольт-временных зависимостей, ЛАОП, как правило, имеют гладкую, практически бездефектную поверхность с равномерной интерференционной окраской. При переходе к предельному напряжению формирования появляются микронеоднородности структуры ЛАОП.

При электронографических исследованиях в ЛАОП на кремнии не было выявлено кристаллических включений, по крайней мере, с размерами более 3…5 нм, что следует из вида (диффузное гало) картин электронной дифракции характерного для аморфного состояния вещества.

Электронно-микроскопические исследования не позволили выявить в ЛАОП кремния сквозных пор. Однако удалось установить, что при приблизительно одинаковых условиях бор-содержащие ЛАОП более структурно неоднородны, чем фосфор-содержащие ЛАОП.

Установлено, что анодные оксидные пленки кремния, сформированные методом реанодирования кремния p- и n-типов в фосфатном, боратном и нитратном электролитах на основе тетрагидрофурфурилового спирта, как до, так и после высокотемпературного отжига имеют трех- или четырехслойное строение. Это, вероятно, и приводит к неравномерному распределению фосфора и бора по толщине анодного SiO2.

Количество дефектов Nдеф на поверхности 1х1 см2 подсчитывали на установке для автоматического количественного анализа изображений «Классимат» фирмы «Лейтц».

Электрическую прочность Епр рассчитывали по средним значениям пробивных напряжений МОП-структур, полученных вакуумным осаждением алюминиевых площадок диаметром 1мм на образцы, отожженные в среде азота при температуре 1423 К в течение 30 мин.

С увеличением концентрации ортофосфорной и борной кислот в электролитах повышается плотность дефектов и скорость травления тр, а электрическая прочность ЛАОП снижается.

Например, при повышении содержания Н3РО4 в электролите на основе тетрагидрофурфурилового спирта (ТГФС) с добавкой 0,04 н NH4NO3 от 0 до 2 мольл-1, Nдеф и тр, возрастают от 102 до 3,2104 см-2 и от 1,0 до 3,6 нмс-1 соответственно, а Епр уменьшается от 4,6106 до 2,2106 Всм-1. В случае этиленгликолевых электролитов с добавкой 0,045М HNO3, с повышением концентрации Н3ВО3 от 0 до 2 мольл-1 происходит увеличение Nдеф от 1,2102 до 6104 см-2, возрастание тр от 1,1 до 2,4 нмс-1 и снижение Епр от 3,2106 до 1,4106 Всм-1.

Полученные данные свидетельствуют также о том, что ЛАОП, сформированные в электролитах на основе ТГФС и ЭГ, по качеству примерно одинаковы, а боратные добавки в обоих случаях вызывают более сильное ухудшение качества ЛАОП по сравнению с фосфатными добавками.

В четвертой главе рассмотрено влияние на параметры диффузионных слоев фосфора, мышьяка или бора в кремнии следующих технологических факторов: особенностей химической и термической обработки ЛАОП; концентрации легирующих добавок (HPO, H3AsO4, HBO) в электролите; типа исходного анодируемого материала; толщины (напряжения формирования) ЛАОП; плотности тока анодирования и температуры электролита.

Диффузию P из фосфорсодержащих ЛАОП (ФАОП), As из мышьяксодержащих ЛАОП (МАОП) и B из борсодержащих ЛАОП (БАОП) в кремний проводили в потоке азота с расходом 1,110 л/с в диффузионной печи СДО – 125/4. Поверхностное сопротивление RS легированных слоев кремния измеряли четырехзондовым методом на установке УИС – 2, а глубину залегания p-n-переходов Xj определяли после окрашивания сферических шлифов в плавиковой кислоте с добавкой азотной кислоты при освещении. Поверхностную концентрацию электрически активных фосфора NSP и бора NSB в диффузионных слоях находили по графикам Ирвина NS ( = 1/RS Xj), как среднее арифметическое для случаев erfc и Гауссова распределений.

Установлено, что кипячение в деионизованной воде, ацетоне и отжиг в азоте при 673…873 K в течение 7200 с не приводят к заметным потерям диффузанта из ЛАОП, так как при всех видах предварительной обработки образцов значения поверхностного сопротивления диффузионных слоев изменяются в пределах интервала 0,95 доверительной вероятности относительно их средних значений.

Это свидетельствует о достаточно прочной связи внедрившихся в процессе электролитического анодирования Si кислородсодержащих соединений фосфора и бора с SiO2 – основным веществом ЛАОП.

При исследовании влияния содержания легирующих добавок в электролитах на параметры диффузионных слоев кремния было обнаружено, что зависимости поверхностной концентрации NSP и NSB, и поверхностного сопротивления R и R, легированных фосфором и бором слоев, от концентраций ортофосфорной и ортоборной кислот имеют экстремальный характер.

Таким образом, при формировании ЛАОП на кремнии максимальная концентрация HPO и HBO в электролитах на основе ЭГ не должна превышать 1,5 и 2 моль/л соответственно.

С увеличением содержания ортомышьяковой кислоты в электролите от 1,82. 10-3 до 16,53 %, то есть почти на 4 порядка, происходит уменьшение поверхностного сопротивления Rs приблизительно на 2,5 порядка, увеличение глубины залегания p-n-переходов Xj в - 4,5 раза, а поверхностная концентрация мышьяка NSAs возрастает более, чем на 3 порядка.

Относительно низкое максимальное значение NSAs по сравнению с поверхностной концентрацией фосфора, вероятно, обусловлено интенсивным испарением из МАОП мышьяка.

Кроме того, концентрация примеси в арсенатных ЛАОП меньше, чем в фосфатных, поскольку cорбционная емкость монослоя в 2,7 раза меньше, чем в случае фосфатных электролитов.

Сравнительный анализ параметров p – n переходов, созданных диффузией примесей из ЛАОП кремния, из анодированных пленок нитрида кремния и термического диоксида кремния в полуторамолярных фосфатных и боратных электролитах на основе ЭГ и ТГФС показал, что наиболее высокую поверхностную концентрацию фосфора NSP=2,110 см обеспечивают ФАОП, выращенные на кремнии в этиленгликолевом электролите. Следовательно, для получения легированных слоев кремния с высокой поверхностной концентрацией предпочтительнее использовать ФАОП, сформированные в этиленгликолевых электролитах, а для создания p-n-переходов с низкой поверхностной концентрацией целесообразно применять ФАОП, выращенные в электролитах на основе ТГФС.

При диффузии фосфора из анодированных пленок нитрида кремния и термического диоксида кремния в электролитах первого и второго типов значения N более чем на порядок и на два порядка соответственно меньше вышеуказанной величины NSP для ФАОП кремния.

Наибольшее значение N = 2.210 см удалось получить диффузией бора из анодированной пленки термического SiO в боратном электролите на основе ТГФС. БАОП кремния, сформированные в данном электролите, также обеспечивают более высокое значение N = 6,510 см по сравнению с БАОП, выращенными на кремнии в этиленгликолевом электролите.

Таким образом, мощность источника диффузанта зависит не только от содержания легирующей добавки в растворе и природы основного растворителя, но и от типа исходного анодируемого материала.

С технологической точки зрения более удобно регулировать общее количество диффузанта, а, следовательно, осуществлять управление параметрами диффузионных слоев путем изменения толщины ЛАОП, выращиваемых в электролите одного и того же состава.

Выявлено, что при повышении толщины ФАОП от 43 до 160 нм NSP и XjP увеличиваются, причем наибольшее относительное изменение параметров происходит до = 80 нм. При диффузии из БАОП с увеличением их толщины от 41 до 175 нм NSB и XjB возрастают, RSB – уменьшается, а сильное влияние на параметры легированных слоев наблюдается до = 110нм.

Снижение степени влияния на NSP и NSB толщины ЛАОП по мере ее увеличения, очевидно связано с уменьшением относительных потерь легирующих примесей на диффузию во внешнюю среду.

Исследовалось также влияние на параметры диффузионных слоев плотности тока jг первоначального гальваностатического анодирования кремния КДБ – 1,0 и КЭФ – 4,5 с последующим потенциостатированием при UФ = 180 В до конечной плотности тока jК = 0,1 jг в фосфатных и боратных электролитах на основе ЭГ+0,045 M HNO + 1 M HO.

Для электролитов, содержащих 1,5 моль/л HPO или HBO, не было обнаружено заметного влияния j на NSP и NSB в диапазонах 14,3…86 А/м2 и 50…250 А/м2 соответственно.

В случае более разбавленных растворов с увеличением j от 50 до 150 А/м2 наблюдается небольшое повышение NSP (на 15%) и более сильное возрастание NSB ( в 2 раза). Это, по – видимому, является следствием соответствующей зависимости от jг уровня концентрации примесей в ЛАОП, так как с повышением jг должна возрастать доля анионного тока, т.е. увеличиваться концентрация фосфат – и борат – анионов в прианодном слое электролита. При плотности тока jг = 200 А/м N уменьшается более, чем в 2 раза, а NSB падает более, чем на порядок.

В результате исследования влияния температуры T фосфатного и боратного электролитов на параметры легированных слоев было установлено, что до 313 K NSP и NSB слабо зависят от TЭЛ.

Слабая чувствительность NSP, NSB к TЭЛ в диапазоне 273…313 K является положительным обстоятельством, поскольку не вызывает жестких требований к термостатированию электролита при анодировании кремния. Возрастание степени влияния на NSP и NSB температуры электролита с ее повышением, возможно, обусловлено аналогичной температурной зависимостью скорости десорбции фосфат- и борат-анионов из ЛАОП в электролит в процессе ее формирования.

Экспериментальные зависимости RSP, XjP и RSB, XjB от обратной температуры имеют линейный характер в полулогарифмических координатах и в исследованном диапазоне температур аппроксимируются следующими эмпирическими выражениями:

, ,

,

со средними отклонениями, рассчитанных по ним значений параметров, от экспериментальных соответственно равными ±4,5; ±4,7; ±4,9 и ±4,4%.

Установлено, что изменяя температуру диффузии примесей из ЛАОП в диапазонах 1323…1473 К и 1373…1473 К, можно управлять значениями поверхностного сопротивления и глубины залегания p-n-перехода легированных фосфором и бором слоев кремния соответственно. При этом поверхностная концентрация фосфора и бора остается практически постоянной, изменяясь в соответствующих пределах (2,2…2,6)Ч1020 см-3 и (3,1…3,5)Ч1018 см-3 и меньше в первом случае почти на полпорядка, а во втором случае более, чем на 2 порядка значений концентраций, соответствующих предельной растворимости этих примесей в кремнии при данных температурах.

По значениям XjP и XjB рассчитаны коэффициенты диффузии фосфора DР и бора DВ в кремнии при различных температурах и получены выражения зависимостей коэффициентов диффузии от температуры:

, .

Средние отклонения экспериментальных значений DР и DВ от вычисленных по данным выражениям составляют ±7,0 и ±10,0% соответственнно.

Энергия активации диффузии фосфора в кремнии из ЛАОП на 15,3% меньше, а в случае бора на 20% больше энергии активации диффузии этих примесей из фосфорного и борного ангидридов в вакууме (3,69 эВ), определенной Фуллером и Децинбергером.

Несмотря на неравномерность распределения примесей по толщине ЛАОП, экспериментальные зависимости от времени и температуры диффузии глубины залегания p-n-переходов и поверхностного сопротивления диффузионных слоев фосфора и бора в кремнии, и их концентрационные профили качественно согласуются с математической моделью диффузии из равномерно легированной оксидной пленки.

Весьма перспективным является процесс диффузии фосфора в кремний из электролитически легированных термических оксидных пленок кремния.

Фосфорсодержащие электролитически легированные термические оксидные пленки (ЭЛТОП) могут применяться как в качестве подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов, так и в качестве источника диффузанта.

На рис. 8 и 9 представлены результаты исследования влияния режимов поляризации на характеристики p-n-переходов, сформированных диффузией фосфора из ЭЛТОП, полученных в электролитах на основе пропиленгликоля.

Полученные экспериментальные зависимости параметров диффузионных слоев позволяют выбирать условия легирования пленок термического SiO2 фосфором для формирования в кремнии p-n-переходов с заданными электрофизическими параметрами.

Установлено, что как и в случае золь-гельных пленок, при диффузии примесей из анодных оксидных пленок кремния, легированных одновременно P и As или B и As, происходит уменьшение плотности дислокаций в диффузионных слоях по сравнению с диффузией только P или B.

Рис. 8. Зависимость параметров диффузионных слоев фосфора в кремнии КДБ –12 от плотности тока анодной поляризации в фосфатном электролите на основе пропиленгликоля  Зависимость параметров-203 Рис. 9. Зависимость параметров диффузионных слоев фосфора в кремнии КДБ – 12 от времени анодной поляризации структуры кремний – термическая оксидная пленка


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.