автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами для конденсатора с повышенной емкостью

На правах рукописи

ИМг

НОВАК АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ЗЕРНАМИ ДЛЯ КОНДЕНСАТОРА С ПОВЫШЕННОЙ ЕМКОСТЬЮ "

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на

квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 АВГ 2014

Москва - 2014

005551766

005551766

Работа выполнена на кафедре «Интегральной электроники и микросистем» Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель: Парменов Юрий Алексеевич,

Официальные оппоненты:

Гуляев Александр Михайлович,

кандидат технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор кафедры полупроводниковой электроники Национального исследовательского университета «МЭИ»

Воронов Юрий Александрович, кандидат технических наук, доцент

кафедры микро- и наноэлектроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт технологии и автоматизации производства»

Защита состоится « 16 » сентября 2014 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 в ауд. 3103 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор — Т. Ю. Крупкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

При разработке интегральных схем, содержащих конденсаторные структуры, с увеличением степени интеграции возникает необходимость увеличения удельной емкости таких структур. Одним из способов увеличения удельной емкости конденсаторных структур является использование в качестве электродов слоев поликристаллического кремния с полусферическими зернами, имеющих большую площадь поверхности.

Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами (hemispherical-grain polycrystalline silicon (HSG-Si)), называемые также пленками поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью, имеют развитую поверхность, площадь которой в 1,5-2,5 раза больше площади поверхности «гладких» пленок. HSG-Si пленка представляет собой слой, образованный из плотно упакованных зерен, имеющих примерно одинаковый размер. Размер зерен, в зависимости от условий формирования, может варьироваться от 2 нм до 200 нм.

Пленки HSG-Si используются в современных интегральных схемах в элементах динамической памяти (DRAM) в качестве нижнего электрода конденсатора хранения, что позволяет увеличить емкость, приходящуюся на единицу площади элемента более чем в 2 раза по сравнению с «гладким» электродом из поликристаллического кремния. Кроме того, пленки HSG-Si представляют интерес для различных применений в микроэлектромеханических системах (MEMS), а пленки с малым размером зерен (1-20 нм) представляют интерес для приборов, основанных на использовании кремниевых нанозерен: в одноэлектронных приборах, в элементах энергонезависимой памяти, фотоэлектронных приборах.

С точки зрения использования пленок HSG-Si в конденсаторных структурах важной характеристикой HSG-Si пленок является величина приращения площади поверхности (по сравнению с гладкой пленкой). Кроме того, важными характеристиками HSG-Si пленок, как для применения в конденсаторных структурах, так и для других применений, являются размер и плотность зерен.

Пленки HSG-Si получают на основе метода химического парофазного осаждения (LPCVD, PECVD) из моносилана, при специальных условиях формирования (температуре, давлении и времени осаждения, температуре и времени отжига и т.д.). Морфология

поверхности HSG-Si пленки, в частности размер и плотность зерен, существенно зависит от условий формирования. Несмотря на значительное количество работ, в которых изучалось влияние условий формирования на возможность образования и свойства HSG-Si пленок, в различных работах приведены разные значения для оптимальных условий формирования HSG-Si пленки. Изучение зависимости морфологии пленок HSG-Si от условий формирования проводилось в основном методами электронной микроскопии. Полученные при этом зависимости таких характеристик, как размер и плотность зерен, имеют только качественный характер, а размеры зерен приведены только для некоторых значений параметров осаждения. Для контролируемого получения HSG-Si пленок с заданными свойствами поверхности представляется необходимым изучение влияния условий формирования на морфологию поверхности пленок.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является изучение и установление оптимальных условий формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами, позволяющие контролируемым образом получать пленки с заданной морфологией (размерами и плотностью зерен) и создавать конденсаторы с повышенной емкостью на основе тонкопленочных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Найти температурный интервал образования HSG-Si пленок на основе анализа морфологии поверхности LPCVD пленок кремния, полученных при различных температурах осаждения для фиксированных наборов значений других параметров, посредством использования электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

2. Посредством анализа АСМ-изображений HSG-Si пленок найти зависимости от температуры осаждения и толщины осажденной пленки (времени осаждения) таких характеристик HSG-Si пленок как: коэффициент увеличения площади поверхности, размер зерен, плотность зерен, а также основных характеристик шероховатости, пространственных и корреляционных свойств поверхности.

3. На основе полученных зависимостей найти оптимальные условия, позволяющие формировать HSG-Si пленки с большой площадью поверхности. Разработать технологический процесс изготовления конденсатора с повышенной емкостью на основе

полученных HSG-Si пленок, совместимый со стандартным процессом изготовления изделий с конденсаторными структурами из поликристаллического кремния. Изготовить конденсаторные структуры с повышенной емкостью и провести изучение их электрических характеристик.

Научная новизна

В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие научные результаты:

1. Посредством атомно-силовой микроскопии (АСМ) детально изучена морфология пленок HSG-Si кремния и установлено:

- температура осаждения, при которой происходит переход от смешанных пленок к HSG-Si пленкам, смещается в сторону более высоких температур при росте толщины пленки;

- температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: 571°О5940С для толщины 60 нм, 578°05940С для толщины 100 нм, 580°0594°С для толщины 150 нм;

- температура осаждения, при которой происходит переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния (=594°С) слабо зависит от толщины пленки.

2. Для HSG-Si пленок впервые получены зависимости среднего латерального размера зерен, средней высоты зерен, плотности зерен, среднеквадратической шероховатости, корреляционной длины, величины относительного приращения площади поверхности от температуры осаждения и толщины осажденной пленки, позволяющие получать HSG-Si пленки с заданными свойствами.

3. Экспериментально изучена эволюция морфологии поверхности при росте HSG-Si пленки на основе использования скейлингового анализа АСМ изображений поверхности и впервые получены зависимости ширины интерфейса (среднеквадратической шероховатости) w(t)~t корреляционной длины £(t)~t1/z и длины волны (среднего расстояния между «холмами») X(t)~ f от времени осаждения t.

4. Проведен сравнительный анализ морфологии пленок аморфного, поликристаллического и HSG-Si кремния и показано, что в отличие от пленок аморфного и поликристаллического кремния обладающих свойствами самоаффинной поверхности, HSG-Si пленки обладают свойствами «холмообразной» поверхности.

Практическая значимость

1. Установлены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3°С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584°С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. Применение этих пленок в конденсаторных структурах позволяет увеличить электрическую емкость в ~2 раза по сравнению со структурой с гладкими электродами, при сохранении других электрических параметров.

2. Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием ШО^ пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

3. Полученные зависимости основных количественных характеристик поверхности ЬРСУБ пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом формировать ЬРСУБ пленки кремния с заданными свойствами поверхности, в том числе получать

пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм"2 до 30 мкм"2).

На защиту выносятся следующие результаты

1. Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии детально изучена морфология поверхности при росте НБО-Б! пленок кремния. На основе анализа АСМ-изображений:

- получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности пленок;

- изучена динамика роста НБО-Б! пленок и установлены механизмы формирования рельефа для различных толщин пленки.

2. Установленные зависимости основных количественных характеристик поверхности ЬРСУБ пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом получать пленки кремния с заданными свойствами поверхности, в том числе получать Шв-Б!

пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм"2 до 30 мкм"2).

3. Найдены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3°С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584°С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. На основе разработанных ШС^ пленок изготовлены конденсаторные структуры, емкость которых в ~2 раза превышает емкость конденсаторных структур с гладкими электродами.

4. Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием ИБС-Б! пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе ОАО «Ангстрем» при разработке конденсаторов с повышенной емкостью дня изделий радиочастотной идентификации, что подтверждено актом об использовании.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, МИЭТ 2011; Ш-я окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов, Москва, Зеленоград, 2011; 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2012», Москва, МИЭТ 2012; 1У-я окружная научно-техническая конференция молодых ученных и специалистов, Москва, Зеленоград, 2012; 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2013», Москва, МИЭТ 2013; ХУШ-ый Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ-2013», Черноголовка, 2013; 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2014», Москва, МИЭТ 2014; ХХУ-я Российская конференция по электронной микроскопии «РКЭМ-2014», Черноголовка, 2014.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК, 8 - в сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 136 страниц, из которых 105 составляет основной текст работы, включает 68 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 95 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, представлены положения выносимые на защиту.

В первой главе содержится обзор и анализ литературных данных по применению, формированию и изучению пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (ИБО-Б!).

В первой части главы приводится обзор работ, посвященных использованию пленок Шв-Б! в микроэлектронике, а также по технологии получения пленок НБО-Бь Проводится обзор методов, использовавшихся для изучения Шв^ пленок и оценки их качества.

Во второй части главы проведен анализ литературных данных, посвященных особенности формирования ГОй-Б! пленок, а также изучению влияния условий формирования на морфологию и свойства Шв-Б! пленок. Получение Жв-Б! пленок сложным образом зависит от множества технологических параметров и . факторов, таких как температура, давление при осаждении и других параметров, влияющих на свойства ШО^ пленок. При этом опубликованные данные по оптимальным условиям получения НБС-Б! пленок с большой площадью поверхности являются противоречивыми и недостаточными для воспроизведения процесса получения таких пленок без дополнительных исследований.

В конце главы проведен сравнительный анализ данных по электрическим характеристикам конденсаторных структур на основе ИБв^ пленок. Для сравнения и оценки электрических свойств конденсаторных структур используют такие характеристики и параметры, как коэффициент увеличения емкости, толщина

диэлектрического слоя, эквивалентная толщина диэлектрического слоя, величина тока утечки при определенном напряжении, электрическая прочность, эквивалентная электрическая прочность.

Как следует из анализа литературных данных, изучение зависимости морфологии пленок НБО-Б! от условий формирования проводилось в основном методами электронной микроскопии, полученные при этом зависимости таких характеристик, как размер и плотность зерен, имеют только качественный характер. При этом в настоящее время достаточно развит метод атомно-силовой микроскопии. АСМ-изображения поверхности, получаемые в данном методе, являются функциями высоты поверхности, также разработаны математические методы анализа и обработки АСМ-изображений. К настоящему времени хорошо разработаны и приняты системы характеристик и параметров поверхности, позволяющие достаточно полно количественно описать морфологические свойства поверхности.

Представляется целесообразным провести количественное изучение морфологии поверхности получаемых пленок ИБО кремния на основе использования атомно-силовой микроскопии и последующего анализа АСМ-изображений, посредством математической обработки на основе использования современных программных пакетов по обработке АСМ-изображений, позволяющих рассчитывать основные характеристики поверхности (корреляционные, пространственные, параметры шероховатости).

Из проведенного анализа определены цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена изучению морфологии пленок кремния, получаемых методом химического парофазного осаждения при низком давлении (ЬРСУБ) для температурной области, содержащей переход от аморфного к поликристаллическому кремнию, с целью определения температурного интервала образования НБС-Б! пленок.

В начале главы представлены экспериментальные методы и оборудование, использовавшиеся для получения и исследования НБО-Б1 пленок.

Пленки кремния получали в трубчатом горизонтальном реакторе АБМ-ЬРСУБ при разложении моносилана (БМД Образование Шв-Б! пленок происходит при специальных условиях формирования (температуре, давлении и времени осаждения, температуре и времени отжига). Температура осаждения является одним из наиболее критических параметров, поскольку образование пленок с большой

площадью поверхности происходит в очень узком температурном интервале (~5°С), лежащем при переходе от смешанных пленок, состоящих из аморфной и поликристаллической фазы, к поликристаллическим пленкам с «гладкой» поверхностью. Точное положение этого интервала неизвестно, поскольку в разных источниках приводятся разные значения для оптимальной температуры осаждения, при одинаковых других (прочих) параметрах формирования. Поэтому, с целью поиска температурного интервала образования пленок HSG кремния, проводилось изучение морфологии пленок кремния, осажденных при температурах в интервале от 550 до 620°С. Давление моносилана при осаждении было фиксированным и составляло 0,2 Topp. Толщина осаждаемой пленки, определяемая временем осаждения, варьировалась в интервале от 8 до 160 нм, соответственно время осаждения от 1 мин до 33 мин. Температура отжига совпадала с температурой осаждения.

Из анализа пленок осажденных при температуре от 550°С до 620°С с шагом 10-15°С, найдено что образование HSG-Si пленок происходит в области 571^-595°С. На рис. 1 приведены топографические изображения поверхности, полученные методом атомно-силовой микроскопии (АСМ-изображения) для пленок кремния, осажденных в температурном интервале от 550°С до 620°С.

Рис. 1. АСМ-изображения размером 2 мкм х 2 мкм пленок кремния осажденных в широком температурном интервале от 550 до 620°С

Для найденной температурной области 571-^595°С, содержащей интервал образования пленок HSG кремния, детально изучалась зависимость морфологии от температуры осаждения для различных толщин пленок, а также других параметров получения, с целью нахождения условий образования HSG-Si пленок, имеющих наибольшую площадь поверхности.

Были получены три набора пленок с толщинами 60 нм, 100 нм и 150 нм, осажденные при температурах из интервала 571-;-5950С с шагом 2-^5 °С, и детально изучена их морфология посредством использования АСМ микроскопии. На рис. 2 приведен ряд выборочных АСМ-

изображений для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм), осажденных при одинаковых температурах в интервале (5710О595°С), которые наглядно демонстрируют, как с изменением температуры осаждения Td и толщины осажденной пленки меняется морфология пленок.

60 нм

Рис. 2. АСМ-изображения для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм), осажденных при одинаковых температурах, лежащих в интервале 571°С-;-5950С

При анализе АСМ-изображений рассчитывали: величину относительного приращения площади поверхности Sdr, средний латеральный размер зерен Dg, среднюю высоту зерен Zg, плотность зерен Ng, среднее расстояние между зернами Lg=(l/Ng)m, среднеквадратическую шероховатость поверхности Sq, автокорреляционную функцию ACF, из которой определяли корреляционную длину Lc. В результате для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм) были получены зависимости для величин: Sdr, Dg, Zg, Ng, Lg, Sq, Lc от температуры осаждения Td в интервале 571-^595°С. На рис. 3 приведены температурные зависимости среднего размера зерен Dg и плотности зерен Ng, на рис. 4 - температурные зависимости относительного приращения площади поверхности Sdr и среднеквадратической шероховатости поверхности Sq.

а) б)

Рис. 3. Зависимости среднего размера зерен (а) и плотности зерен Ые (б)

Рис. 4. Зависимости относительного приращения площади поверхности Sj,. (а) и шероховатости поверхности Sq (б) от температуры осаждения Td для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм)

Для исследованных пленок в изученном температурном интервале 57100 595°С на полученных зависимостях можно выделить характерные температурные участки, положение и длина которых является различной для различных толщин пленок.

Из полученных зависимостей найдено, что температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: для толщины 60 нм 57100 594°С; для толщины 100 нм 5780 0 594°С; для толщины 150 нм 580°0594°С. Температура, при которой происходит переход от смешанных пленок к HSG-Si пленкам, смещается в сторону более высоких температур при росте толщины пленки. Температура осаждения, при которой происходит переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния («594°С), слабо зависит от толщины пленки.

В исследованном температурном интервале (571-595°С) происходит изменение формы зерен. Так, для пленки толщиной 100 нм, с ростом температуры изменяется отношение средней высоты зерен к среднему латеральному размеру зерен и составляет: 0,45 (571°С); 0,6

(578°С); 0,9 (583°С); 0,24 (595°С). Найдено, что максимальную величину Бс/г, равную -80%, а также наибольшее отношение г/Ве=0,9 имеют пленки толщиной 100 нм, полученные при температуре осаждения Г/=584±3°С и давлении 200 мТорр.

В третьей главе проводится сравнительный анализ морфологии пленок НБО кремния, пленок аморфного и «гладкого» поликристаллического кремния, а также изучается эволюция поверхности при росте толщины пленок Шв кремния. Функции распределения высоты поверхности, амплитудные параметры пленок аморфного. НБО и поликристаллического кремния

На рис. 7 приведены АСМ-изображения и соответствующие им функции распределения высот поверхности (гистограммы распределения высот) для пленок аморфного, НЗв и поликристаллического кремния, одинаковой толщины (100 нм).

Рис. 7. АСМ-изображения и гистограммы распределения высоты поверхности пленок: аморфного кремния (550°С) (а), НБО-Э! (583°С) (б) и поликристаллического «гладкого» кремния (595°С) (в)

Найдено, что функции распределения высот поверхности для пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si существенно отличаются: распределение для a-Si пленок является близким к распределению Гаусса, распределение для HSG-Si пленок имеет значительную отрицательную асимметрию = -0.91), распределение для poly-Si пленок с «гладкой» поверхностью имеет небольшую положительную асимметрию.

Для пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si рассчитаны амплитудные параметры поверхности, определяемые современными стандартами (ISO 25178-2), которые служат для характеристики нерегулярности поверхности в вертикальном направлении, а также основные параметры, характеризующие пространственные и корреляционные свойства поверхности (таблица 1).

Таблица 1. Статистические параметры для пленок аморфного, поликристаллического «гладкого» кремния и Н50-51._

a-Si 2,0x2,0 мкм2 HSG-Si 2,0x2,0 мкм2 poly-Si 2,0x2,0 мкм2

Амплитудные параметры

Среднеквадратическая шероховатость Sa, нм 1,15±0,04 18,6±1,2 3,06±0,08

Арифметическая шероховатость S„, нм 0,91 ±0,03 15,1±1,1 2,41±0,07

Максимальная высота рельефа поверхности S., нм 11,0±0,92 123,0±4,1 28,4±1,7

Высота самого высокого пика Sp, нм 5,48±1,59 36,1±3,3 14,8±0,8

Глубина самой глубокой впадины S„ нм 5,54±0,86 86,9±1,9 13,6±2,1

Асимметрия Ssk 0,028±0,087 -0,91±0,11 0,375±0,035

Эксцесс Sh, 3,25±0,05 3,31±0,31 3,42±0,08

Пространственные параметры

Автокорреляционная длина Sab НМ 17,8±0,7 43,2±2,1 23,7±1,0

Аспектное отношение текстуры S„ 0,92±0,01 0,89±0,03 0,92±0,04

Скешинговые, корреляционные параметры

Показатель шероховатости а 0,91±0,01 0,92±0,01 0,92±0,02

Латеральная корреляционная длина нм 21,2±0,7 51,1±2,0 27,9±0,5

Ширина интерфейса м>, нм 1,16±0,01 18,6±2,8 3,11±0,02

Длина волны X, нм — 221±10 —

Корреляционные и пространственные свойства поверхности пленок а-Si. polv-Si и HSG-Si

Для характеристики пространственных и корреляционных свойств поверхности используют автокорреляционную функцию R(r) = <Z(r')Z(r' - г)> и корреляционную функцию высота-высота Я(г) = <[Z(r') - Z(r' - г)]2>, которые получают усреднением по всем парам точек, отстоящим одна от другой на фиксированный вектор сдвига г, по выборочной площади S. Эти функции связаны соотношением: Я(г) = 2vv2 - 2Ä(r), где w = (<[Z(r) - <Z(r)>]2>)1-называют шириной интерфейса, а также среднеквадратической шероховатостью поверхности, w = Sr Для статистически изотропных поверхностей R(r) зависит только от модуля г: R(r) = Л(|г|) = R(r). Из автокорреляционной функции R(r) определяют пространственные параметры поверхности: корреляционную длину Sa¡, соответствующую модулю сдвига г в направлении «быстрого» спада R(г) до уровня R(ß)/e, аналогично Ss/ -корреляционную длину в направлении «медленного» спада, S/r -аспектное отношение текстуры, равное отношению Sa/S¡i. В случае изотропной поверхности S,r имеет величину, близкую к единице. Для изученных нами пленок величина S,r имеет значение ~ 0,9; и можно сказать, что поверхность пленок a-Si и poly-Si и HSG-Si изотропна на масштабе L ~ 2 мкм с погрешностью ~ 10%.

Примерно два последних десятилетия происходило развитие «скелингового анализа», который в настоящее время все более широко используется при анализе свойств шероховатых поверхностей. Скейлиногвый анализ основан на идеях масштабной инвариантности -«скейлинга». Морфология многих пленок хорошо описывается в рамках модели самоаффинного скейлинга. В этом случае: H(r) ~ г2а при г«{ и Н{г) = 2w2 при г » где a-показатель шероховатости (roughness exponent), называемый также показателем Херста, ¡f—латеральная корреляционная длина, которая определяет верхнюю границу области самоаффинности и является характеристикой нерегулярности поверхности в латеральном направлении. Флуктуации высоты на малых масштабах (г < £) являются коррелированными и зависимыми, а на больших масштабах (г > f) являются некоррелированными, т. е. случайными, и Н(г) достигает постоянной величины (2 w2). Коэффициент а характеризует степень нерегулярности поверхности на малых масштабах (г < £)■

На рис. 8 приведены графики корреляционных функций Н(г) для исследуемых пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si, построенные в

Такое поведение функции Н(г) и функции PSD указывает на то, что поверхности HSG-Si пленок обладает свойствами не самоаффинной, а «холмообразной» (mounded) поверхности. В случае «холмообразной» поверхности появляется еще один характерный параметр - длина волны Я, которая соответствует среднему расстоянию между «холмами».

логарифмическом масштабе. Величина коэффициента а, определенная из наклона начального участка Н(г), для всех трех типов пленок имеет одинаковое значение = 0,92. Для пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si найденные значения корреляционной длины <f составляют: 21,2 ± 0,7 нм, 27,9 ± 0,5 нм и 51,1 ± 2,0 нм, а значения w: 1,16 ± 0,01 нм, 3,11 ± 0,02 нм и 18,6 ±2,8 нм.

Рис. 8. Корреляционные функции Н(г) для ЬРСУБ пленок аморфного, поликристаллического «гладкого» кремния и Шв-Зг

а) б) в)

Рис. 9. АСМ-изображение (а), двумерное Фурье-преобразование (спектр мощности) (б) и функция радиальной спектральной плотности мощности (Isotropic PSD) АСМ-изображения (в) для HSG-Si пленки толщиной 95±10 нм

Найдено из корреляционной функции высота-высота Н{г), что пленки a-Si и poly-Si обладают свойствами самоаффинной поверхности. В отличие от пленок a-Si и poly-Si, для HSG-Si пленок на зависимости Н(г) при г > £ можно заметить наличие осцилляций. Это лучше видно на графике, построенном в линейном масштабе (вставка на рис. 8). Кроме того, для HSG-Si пленок на функции спектральной плотности мощности (power spectrum density - PSD) имеется максимум (рис. 9), для a-Si и poly-Si максимум на PSD не наблюдается. Пример для a-Si приведен на рис.10.

а) б) в)

Рис. 10. АСМ-изображение (а), двумерное Фурье-преобразование (спектр мощности) (б) и функция радиальной спектральной плотности мощности (Isotropic PSD) АСМ-изображения (в) для пленки аморфного кремния (a-Si) толщиной 95 ± 10 нм

Значение параметра Л, найденное из зависимости Н(г) для HSG-Si пленок толщиной 95 ± 10 нм, составляет 221 ± 10 нм, а найденное из функции PSD = 215 ± 9 нм.

Изучение зависимости морфологии поверхности HSG-Si пленок от толщины

В работе изучена эволюция морфологии поверхности при росте пленок HSG кремния на основе использования скейлингового подхода, посредством анализа корреляционных функций высота-высота H(r,t), соответствующим различным значениям времени осаждения t.

Рис. 11. Корреляционные функции Н(г) для пленок, соответствующих разным значениям времени осаждения t: 3, 5, 8, 10, 16, 33 мин (и имеющих толщины: 30, 40, 59, 67, 96, 160 нм, соответственно)

г, пт

На рис. 11 представлены графики корреляционных функций Н(г, г) для пленок, соответствующих разным значениям времени осаждения V. 3, 5, 8, 10, 16, 33 мин (и имеющих толщины: 30, 40, 59, 67, 96, 160 нм). Величина показателя шероховатости а, определенная из наклона

начального участка Я(г), имеет одинаковое значение а = 0,92±0,03 для всех пленок. Полученная величина совпадает с данными для ЬРСУЭ пленок аморфного и поликристаллического кремния (а = 0,92±0,03), полученных нами.

Начальные участки на Н[г) для всех толщин практически совпадают. Из этого следует, что локальный наклон поверхности в процессе роста остается постоянным, т.е. рост является стационарным. На зависимостях Я(г), для всех пленок, при г > £ можно заметить наличие осцилляций, которые лучше видны на графике, построенном в полулогарифмическом масштабе (вставка на рис. 11).

Из семейства корреляционных функций Я(лО определялись временные зависимости ширины интерфейса (среднеквадратической шероховатости) ~ , латеральной корреляционной длины ОД ~ и длина волны Х(() где скейлинговые коэффициенты: /3 - показатель роста, г - динамический коэффициент, р — показатель длины волны. На полученных зависимостях ширины интерфейса м>(1), латеральной корреляционной длины ОД и длины волны от времени осаждения ^ на рис. 12 можно выделить три временных интервала, которым соответствуют различные значения скейлинговых коэффициентов /?, 1/г,

Р-

100

Рис. 12. Зависимости ширины интерфейса ^/(г), латеральной корреляционной длины ф) и длины волны 1(0 от времени осаждения г

ю

з

ю

зо

I, тш

Динамика роста при толщине < 67 нм характеризуется скейлинговыми коэффициентами: ß = 0,19±0.05, 7/z=0,24±0,04, ¿>=0,25±0,05, что согласуется с моделью роста за счет поверхностной диффузии. При толщине 67-^-96 нм показатель роста увеличивается (ß ~ 0,66), а затем при толщине > 96 нм уменьшается (ß < 0,13), что можно объяснить влиянием эффектов «затенения» и «реэмиссии», имеющими место при осаждении. Обнаружено, что пленки HSG-Si имеют «холмообразную» поверхность и, тем не менее, для них выполняется условие динамического скейлинга (l/z=/?/a), а также, что зависимости £(t) и X(t) одинаковым образом зависят от времени (1 /z^p). Зависимость размера зерен и плотности зерен от толщины HSG-Si пленки

С точки зрения использования пленок HSG-Si, как в конденсаторных структурах, так и для других применений, важными характеристиками пленок являются размер зерен и плотность зерен. Средний латеральный размер зерна Dg, из которых состоит HSG-Si пленка, определяет максимальную толщину диэлектрического слоя, при которой не происходит сглаживание рельефа.

На рис. 13 приведены АСМ-изображения пленок HSG кремния различной толщины: 8 нм, 30 нм, 40 нм, 59 нм, 67 нм, 96 нм, 160 нм. Все пленки осаждали при одинаковой температуре, равной 584°С, которая соответствует получению пленок с максимальной величиной относительного увеличения площади поверхности Sdr. Все остальные контролируемые параметры получения были одинаковыми и составляли: давление 0,2 Topp, время отжига 20 мин., температура отжига 584°С.

Рис. 13. АСМ-изображения HSG-Si пленок различной толщины: а) 8 нм, б) 30 нм, в) 40 нм, г) 59 нм, д) 67 нм, е) 96 нм, ж) 160 нм

О 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160

d, нм d, нм

а) б)

Рис. 14. Зависимости среднего латерального размера зерен Dg (а) и плотности зерен Ng (б) от толщины HSG-Si пленки d

Из анализа АСМ-изображений найдено, что при росте толщины HSG-Si пленок от 8 нм до 160 нм латеральный размер зерен увеличивается от 22 нм до 150 нм (рис. 14), а плотность зерен уменьшается от 1500 до 30 мкм"2. Также получены зависимости от толщины пленки основных параметров, характеризующих шероховатость, пространственные и корреляционные свойства.

В четвертой главе изучаются электрические характеристики изготовленных конденсаторов с повышенной удельной емкостью на основе HSG-Si пленок.

Для изготовления конденсаторов с повышенной емкостью были выбраны HSG-Si пленки толщиной 100 нм, осаждаемые при температуре 7У=584±3°С, которые имеют максимальную величину приращения площади поверхности Sdr. Для оценки пригодности использования получаемых HSG-Si пленок в конденсаторных структурах с повышенной емкостью изготовляли и изучали два типа интегральных конденсаторов.

Первый тип - обычный конденсатор с нижним электродом из традиционного «гладкого» поликристаллического кремния. Конденсатор второго типа (с повышенной удельной емкостью) отличался тем, что при формировании нижнего электрода на слой «гладкого» поликристаллического кремния осаждался слой HSG-Si. Все остальные процессы при формировании обоих типов конденсаторов производились одновременно.

Схематическое изображение конденсатора с повышенной емкостью на основе пленки HSG-Si, приведено на рис. 15,а. При разработке конденсатора с повышенной емкостью за основу были взяты конденсаторные структуры, используемые в изделии радиочастотной идентификации (RFID).

Был разработан технологический маршрут изготовления конденсатора с нижним электродом из слоя Н8С-81, который был встроен в технологический маршрут изготовления микросхемы ИРГО. Получаемые конденсаторы ИРГО использовались в качестве тестовых структур при исследовании электрических характеристик конденсаторов с повышенной емкостью на основе Шв^ пленок и тонких слоев нитрида кремния 813Ы4. На рис. 15,6 представлена фотография микросхемы радиочастотной идентификации (ЯРЮ).

а) 6)

Рис. 15. Схематическое представление конденсаторной структуры на основе HSG-Si пленок (а), фотография микросхемы радиочастотной идентификации (RFID) (б)

Для полученных конденсаторных структур измерялись электрическая емкость, тангенс угла диэлектрических потерь, а также вольт-амперные характеристики.

Экспериментально изучена зависимость коэффициента увеличения емкости от толщины диэлектрического слоя в конденсаторных структурах на основе пленок HSG-Si. Найдено, что коэффициент увеличения емкости уменьшается с ростом толщины диэлектрического слоя. Максимальная емкость определяется предельно допустимым напряжением пробоя.

Наибольший коэффициент увеличения емкости (area enhancement factor - AEF) AEF = CHsG-si/CPoiy-si (Cnso-si - электрическая емкость конденсатора с нижним электродом на основе HSG-Si пленки, a Cpoiy_si -электрическая емкость конденсатора с электродом на основе «гладкого» поликристаллического кремния) имели конденсаторы с толщиной диэлектрического слоя ¿si3N4=8,5 нм. Значения электрических емкостей конденсаторов составили CHsG-si ~ 3,47 нФ, Cpoly.Si~l,66 нФ, и соответственно коэффициент увеличения емкости AEF=CHsG-si/'C,poiy. si=3,47 нФ/1,66 нФ — 2,1.

Уменьшение коэффициента АЕБ объясняется тем, что с ростом толщины диэлектрического слоя (813Н4) происходит уменьшение эффективной площади электродов конденсатора.

Рис. 16. Зависимость коэффициента увеличения емкости АЕР от толщины диэлектрического слоя с/изж-

dsijSj, нм

Различие между приращением площади поверхности 5^-80%, полученной при АСМ-анализе и коэффициентом увеличения емкости AEF, определенным из измерений электрических характеристик, объясняется тем, что АСМ-изображения получают при сканировании поверхности посредством зонда, который имеет определенные латеральные размеры острия (радиус острия ~5-10 нм), соответственно его проникновение ограничено (например, на границах между зернами HSG-Si пленок). В результате происходит некоторое занижение значения Sdn определяемого из АСМ измерений.

Наряду с электрической емкостью важной характеристикой конденсаторной структуры является рабочее напряжение. Поскольку при разработке конденсатора предъявляются определенные требования к величине рабочего напряжения, то тем самым это определяет минимальную толщину диэлектрического слоя.

а) и-в 6)

Рис. 17. Зависимость тока I от напряжения (У для конденсаторов обеих типов, при толщине диэлектрического слоя а) 15 нм и б) 23 нм

Поскольку в конденсаторах тонкие диэлектрические слои на основе нитрида кремния являются многослойными (ONO - окисел-нитрид-окисел, NO - нитрид-окисел, ONONO), поэтому для характеристики диэлектрических слоев применяют понятие эквивалентной оксидной толщины диэлектрического слоя - teq и эквивалентной напряженности электрического поля - Ещ. Эквивалентная оксидная толщина teq для диэлектрического слоя соответствует толщине диэлектрического слоя Si02, который обеспечивает такую же емкость конденсатора. Для вычисления teq используют соотношение: teq = ZqZ$,\02S/C, где S - площадь и С - емкость конденсатора. В случае одного диэлектрического слоя, например из нитрида кремния íe9=ísi3N4(£s¡02/£s¡3N4), где ís¡3N4 - толщина нитрида кремния, es¡02 - диэлектрическая проницаемость оксида кремния, £Si3N4-диэлектрическая проницаемость нитрида кремния.

Эквивалентная напряженность электрического поля Eeq, определяется как отношение напряжения к эквивалентной толщине диэлектрического слоя Eeq=U/teq. Эквивалентная электрическая прочность Eeq про6оя, определяется как отношение напряжения пробоя к эквивалентной толщине диэлектрического слоя.

Таблица 2. Эквивалентная электрическая прочность Еедпробая для двух типов конденсаторов______

dsi3N-t, нм ^е.у - эквивалентная толщина, нм «гладкий» Poly-Si HSG-Si AEF

в Eeq пробоя> МВ/см ^Тпробоя> в Eeq пробоя> МВ/см

8,5 5,65 6,0 10,6 5,5 9,7 2,10

15 11,7 12,9 11,1 12,5 10,7 1,65

23 15,1 19,5 12,9 18,3 12,1 1,39

Конденсаторы на основе пленок HSG-Si по сравнению с конденсаторами с «гладким» электродом из поликристаллического кремния имели немного меньшие значения напряжение пробоя U„po6o„ и эквивалентной электрической прочности Eeq „робоя, соответственно, при толщине диэлектрического слоя 8,5 нм - на 8%, при толщине диэлектрического слоя 15 нм - на 3%, при толщине диэлектрического слоя 23 нм - на 6% (таблица 2).

Эквивалентная напряженность электрического поля, при которой происходил пробой диэлектрика, была примерно одинаковой для конденсаторных структур обоих типов и составляла Eeq~9,l+\2,9 МВ/см (таблица 2), что соответствует значениям Ещ прибивных полей в DRAM конденсаторах, где используются диэлектрики на основе нитрида кремния (ONO - окисел-нитрид-окисел, NO-нитрид-окисел, ONONO).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для пленок кремния, получаемых методом химического парофазного осаждения при низком давлении (LPCVD), количественно изучена зависимость морфологии поверхности от температуры осаждения для температурной области, которая соответствует переходу от аморфных пленок кремния (a-Si) к «гладким» поликристаллическим пленкам кремния (poly-Si), и которая содержит температурный интервал образования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si).

2. Найдено, что температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: 571°С+594°С для толщины 60 нм, 578°С-^594°С для толщины 100 нм, 580°С-594°С для толщины 150 нм.

3. Получены зависимости от температуры осаждения для таких характеристик HSG-Si пленок как: средний латеральный размер зерен Dg, средняя высота зерен Zg, плотность зерен, среднеквадратическая шероховатость Sq, корреляционная длина Lc, величина относительного приращения площади поверхности Sdr.

4. Обнаружено, что переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния с «гладкой» поверхностью лежит при температуре осаждения около 594°С и слабо зависит от толщины пленки. При этом переходе резко уменьшаются: среднеквадратическая шероховатость Sq, средняя высота зерен Zg, величина относительного увеличения площади поверхности S<¡r. В то же время, при переходе от «смешанных» пленок, состоящих из аморфной и поликристаллической фазы, к HSG-Si пленкам нет резкого изменения величин Sq, Zg и Sdr.

5. Найденные зависимости основных количественных характеристик поверхности LPCVD пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом получать пленки кремния с заданным свойствами поверхности, в том числе получать HSG-Si пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм"2 до 30 мкм"2).

6. Найдено, что максимальную величину относительного приращения площади поверхности S¿r имеют пленки, полученные при температуре осаждения Г/=584±3°С (при толщине пленки около 100 нм).

7. Найдено, что пленки аморфного, поликристаллического и HSG-Si кремния имеют различные функции распределения высот поверхности:

распределение для a-Si пленок является близким к распределению Гаусса, распределение для HSG-Si пленок имеет значительную отрицательную асимметрию, распределение для poly-Si пленок с «гладкой» поверхностью имеет небольшую положительную асимметрию.

8. Для трех типов LPCVD пленок кремния (a-Si, poly-Si и HSG-Si) получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности.

9. Найдено, из анализа автокорреляционных функций, что поверхность пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si являются изотропной на масштабе L ~ 2 мкм.

10. Найдено, из анализа корреляционных функций, что пленки a-Si, poly-Si и HSG-Si имеют одинаковую величину показателя шероховатости (показателя Херста), а = 0,92.

11. Найдено, из анализа корреляционных функций и функций спектральной плотности мощности, что поверхность HSG-Si пленок обладает свойствами «холмообразной» поверхности, тогда как поверхность пленок аморфного и поликристаллического кремния -свойствами самоаффинной поверхности.

12. В результате экспериментального изучения эволюции морфологии поверхности при росте HSG-Si пленки посредством скейлингового анализа из корреляционных функций АСМ-изображений:

1) Найдено, из корреляционных функций высота-высота, что показатель шероховатости (показатель Херста) а = 0,92±0,03 и не зависит от толщины HSG-Si пленки, и что локальный наклон поверхности HSG-Si пленки не изменяется с ростом толщины пленки.

2) Получены, из анализа корреляционных функций высота-высота, соответствующих HSG-Si пленкам с разным временем осаждения, зависимости ширины интерфейса и>(/), корреляционной длины £(?) и длины волны т от времени осаждения t и найдены скейлинговые коэффициенты /?, 1/z, р, характеризующие динамику роста пленки.

3) Найдено, что динамика роста HSG-Si пленки при толщине менее ~70 нм характеризуется скейлинговыми коэффициентами: показатель роста /? = 0,19±0,05, динамический показатель l/z= 0,24±0,04, р= 0,25±0,05, что согласуется с моделью роста за счет

поверхностной диффузии. При толщинах пленки 7СН96 нм имеет место увеличение показателя роста (/? ~ 0,66), а затем уменьшение ф < 0,13) при толщинах более 96 нм.

4) Обнаружено, что для Жв-Б! пленок выполняется условие динамического скейлинга (1/г ~ /?/а) и, что корреляционная длина £(/) и длина волны одинаковым образом зависят от времени осаждения.

13. На основе Н5С-8| пленок, имеющих максимальную величину относительного приращения площади поверхности получены конденсаторные структуры, емкость которых в ~2 раза превышает емкость конденсаторных структур с гладкими электродами.

14. Экспериментально изучена зависимость коэффициента увеличения емкости от толщины диэлектрического слоя в конденсаторных структурах на основе пленок НБО кремния и установлено, что с ростом толщины диэлектрического слоя 813К4 происходит уменьшение коэффициента увеличения емкости.

15. Проведено сравнительное изучение электрических характеристик конденсаторов с повышенной емкостью на основе пленок НБО кремния и конденсаторов с гладкими электродами.

Таким образом, в результате проведенной работы изучены и установлены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами, позволяющие контролируемым образом получать пленки с заданной морфологией и создавать конденсаторы с повышенной емкостью на основе тонкопленочных структур. Разработанный технологический маршрут формирования конденсаторных структур, имеющих повышенную емкость, с использованием ИЗв-Б! пленок полностью совместим с технологическим маршрутом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристашшческого кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Новак A.B., Никольский Ю.В., Фокичев С.Н. Исследование морфологии пленок поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью // Письма в ЖТФ. 2012. Том 38. Выпуск 16. С. 1-8.

2. Novak A.V., Nikol'skii Yu. V., Fokichev S.N. Studying the morphology of hemispherical-grain polycrystalline silicon films // Technical Physics Letters. 2012. Vol. 38. № 8. P. 732-735.

3. Новак A.B., Новак B.P. Шероховатость пленок аморфного, поликристаллического кремния и поликристаллического кремния с полусферическими зернами // Письма в ЖТФ. 2013. Том 39. Выпуск 19. С. 32-40.

4. Novak А.V., Novak V.R. Roughness of amorphous, polycrystalline and hemispherical-grained silicon films // Technical Physics Letters. 2013. Vol. 39. №10. P. 858-861.

5. Новак A.B. Формирование пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами, для конденсаторных структур с повышенной емкостью // Известия высших учебных заведений «Электроника». 2013. №6. С. 10-16.

6. Новак A.B., Новак В.Р. Эволюция морфологии поверхности при росте пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами II Письма в ЖТФ. 2014. Том 40. Выпуск 39. С. 18-26.

7. Новак A.B., Никольский Ю.В., Фокичев С.Н. Разработка процесса осаждения и исследование слоев зернистого поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью // Тезисы докладов 18-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика —2011». М.: МИЭТ. 2011. С. 47.

8. Новак A.B. Изучение условий формирования и свойств пленок шероховатого кремния для конденсаторов с повышенной емкостью // Тезисы докладов 3-ей окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Москва, Зеленоград: 2011. С. 39.

9. Новак A.B. Изучение морфологии пленок поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью методом атомно-силовой микроскопии // Тезисы докладов 19-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2012». М.: МИЭТ. 2012. С. 37.

10. Новак A.B. Разработка конденсатора с повышенной емкостью на основе пленок кремния с полусферическими зернами (HSG-Si) // Тезисы докладов 4-ой окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Москва, Зеленоград: 2012. С. 39.

11. Новак A.B. Разработка конденсатора с повышенной емкостью на основе HSG-Si пленок // Тезисы докладов 20-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2013». М.: МИЭТ. 2013. С. 58.

12. Новак A.B. Использование атомно-силовой микроскопии для изучения морфологии характерных типов пленок кремния // Тезисы докладов 18-го Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ-2013». Черноголовка: 2013. С. 194- 195.

13. Новак A.B. Изменение морфологии поверхности при росте толщины пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами // Тезисы докладов 21-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2014». М.: МИЭТ. 2014. С. 44.

14. Новак A.B. Изучение эволюции поверхности при росте пленок кремния с полусферическими зернами (HSG-Si) методом атомно-силовой микроскопии // Тезисы докладов 25-ой Российской конференции по электронной микроскопии «РКЭМ-2014». Черноголовка: 2014. С. 322-323.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.

Тираж /00 экз. 3аказ № 4з

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

На правах рукописи

04201460671

НОВАК АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ЗЕРНАМИ ДЛЯ КОНДЕНСАТОРА С ПОВЫШЕННОЙ ЕМКОСТЬЮ

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Парменов Юрий Алексеевич

Москва - 2014

Введение.....................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы по применению, формированию и изучению пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si).........................10

1.1 Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами и их применение в интегральной электронике..........................................................................10

1.2 Методы формирования и используемое оборудование для формирования слоев поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью......................................12

1.3 Методы, использовавшиеся для изучения пленок HSG кремния и оценки их качества.................................................................................................................................14

1.4 Особенности формирования пленок поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью................................................................................................19

1.4.1 Влияние температуры и давления осаждения на кристаллическую структуру слоев кремния, получаемых методом LPCVD...............................................................19

1.4.2 Влияние температуры осаждения на формирование пленок HSG-Si с большой площадью поверхности....................................................................................21

1.4.3 Зависимость морфологии пленок HSG-Si от температуры осаждения.........24

1.4.4 Зависимость морфологии поверхности пленок HSG кремния от толщины.. 26

1.4.5 Зависимость увеличения площади поверхности пленки HSG кремния от толщины пленки................................................................................................................28

1.4.6 Влияние времени отжига на морфологию пленок HSG кремния...................29

1.5 Структура и механизм образования пленок HSG кремния..................................32

1.6 Анализ опубликованных данных по структуре и электрическим свойствам конденсаторных структур с HSG-Si пленками..................................................................35

1.7 Основные результаты и выводы, полученные из анализа опубликованных данных по условиям и способам нанесения пленок HSG кремния.................................39

Глава 2. Изучение морфологии пленок кремния, получаемых методом LPCVD, для температурной области, содержащей переход от аморфного кремния к поликристаллическому............................................................................................................42

2.1 Получение и экспериментальные методы исследования пленок кремния.........42

2.1.1 Получение пленок кремния................................................................................42

2.1.2 Методы, использовавшиеся для изучения морфологии поверхности и определения толщины полученных пленок...................................................................46

2.2 Методы математической обработки АСМ изображений поверхности...............46

2.3 Поиск температурного интервала образования пленок HSG кремния: исследование морфологии LPCVD пленок кремния в температурном интервале 550-620°С...............................................................................................................................52

2.4 Детальное изучение морфологии HSG-Si пленок в температурном интервале от 571°С-595°С.........................................................................................................................53

2.4.1 Изучение зависимости от температуры морфологии пленок HSG кремния толщиной 100 нм в интервале от 571°С^-595°С............................................................53

2.4.2 Изучение зависимости морфологии HSG-Si пленок от толщины в температурном интервале от 571°С^-595°С....................................................................61

2.4.3 Оценка влияния размеров зонда на параметры, полученные из анализа АСМ-изображений......................................................................................................................68

Глава 3. Морфология поверхности пленок аморфного, поликристаллического и HSG кремния. Эволюция морфологии поверхности пленок HSG кремния при росте толщины пленки.......................................................................................................................................80

3.1 Сравнительный анализ морфологии поверхности пленок аморфного, поликристаллического и Шв кремния..............................................................................81

3.1.1 Функции распределения высот и амплитудные параметры поверхности для трех характерных типов пленок кремния.......................................................................81

3.1.2 Корреляционные и пространственные свойства поверхности характерных пленок кремния.................................................................................................................84

3.2 Эволюция морфологии поверхности при росте пленок ШО кремния на основе использования скейлингового подхода..............................................................................89

3.2.1 Анализ корреляционных функций высота-высота Н(г) для НБО^ пленок, полученных при различном времени осаждения...........................................................89

3.2.2 Изучение зависимости ширины интерфейса \у, латеральной корреляционной длины ^ и длины волны X от времени осаждения..........................................................95

3.3 Зависимость размера, плотности зерен и основных параметров поверхности от толщины пленки Шв кремния...........................................................................................97

Глава 4. Разработка, изготовление конденсаторов с повышенной емкостью на основе Н8С-81 пленок и изучение их электрических характеристик...........................................103

4.1 Структура и изготовление конденсаторов на основе Шв^ пленок...............103

4.2 Исследование электрических характеристик конденсаторов на основе Шв^ пленок..................................................................................................................................105

4.3 Изучение зависимости электрических характеристик конденсаторной структуры от толщины диэлектрического слоя..............................................................107

4.3.1 Зависимость электрической емкости от толщины диэлектрического слоя. 107

4.3.2 Зависимость эквивалентной электрической прочности от толщины диэлектрического слоя...................................................................................................110

Заключение.............................................................................................................................113

Список литературы................................................................................................................119

Приложение 1. Основные представления о скейлинговом анализе.................................127

Самоаффинные и самоподобные фракталы.....................................................................127

Самоаффинная поверхность..............................................................................................127

Динамический скейлинг....................................................................................................130

«Холмообразная» поверхность.........................................................................................132

Приложение 2. Акт об использовании результатов диссертационной работы............135

Введение

Актуальность работы

При разработке интегральных схем, содержащих конденсаторные структуры, с увеличением степени интеграции возникает необходимость увеличения удельной емкости таких структур. Одним из способов увеличения удельной емкости конденсаторных структур является использование в качестве электродов слоев поликристаллического кремния с полусферическими зернами [1,2], имеющих большую площадь поверхности.

Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами (hemispherical-grain polycrystalline silicon (HSG-Si) [1,2]), называемые также пленками поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью [3], имеют развитую поверхность, площадь которой в 1,5-2,5 раза больше площади поверхности «гладких» пленок [1-4]. HSG-Si пленка представляет собой слой, образованный из плотно упакованных зерен, имеющих примерно одинаковый размер. Размер зерен, в зависимости от условий формирования, может варьироваться от 2 нм до 200 нм.

Пленки HSG-Si используются в современных интегральных схемах в элементах динамической памяти (DRAM) в качестве нижнего электрода конденсатора хранения, что позволяет увеличить емкость, приходящуюся на единицу площади элемента более чем в 2 раза по сравнению с «гладким» электродом из поликристаллического кремния [5,6-35]. Кроме того, пленки HSG-Si представляют интерес для различных применений в микроэлектромеханических системах (MEMS) [36-38], а пленки с малым размером зерен (1-20 нм) [39] представляют интерес для приборов, основанных на использовании кремниевых нанозерен: в одноэлектронных приборах [40,41], в элементах энергонезависимой памяти [42-45], фотоэлектронных приборах [46-53].

С точки зрения использования пленок HSG-Si в конденсаторных структурах важной характеристикой HSG-Si пленок является величина приращения площади поверхности (по сравнению с гладкой пленкой). Кроме того, важными характеристиками HSG-Si пленок, как для применения в конденсаторных структурах, так и для других применений, являются размер и плотность зерен.

Пленки HSG-Si получают на основе метода химического парофазного осаждения (LPCVD, PECVD) из моносилана [1-4], при специальных условиях формирования (температуре, давлении и времени осаждения, температуре и времени отжига и т.д.).

Морфология поверхности HSG-Si пленки, в частности размер и плотность зерен, существенно зависит от условий формирования. Несмотря на значительное количество работ, в которых изучалось влияние условий формирования на возможность образования и свойства HSG-Si пленок, в различных работах приведены разные значения для оптимальных условий формирования HSG-Si пленки [1-4]. При этом изучение зависимости морфологии пленок HSG-Si от условий формирования проводилось в основном методами электронной микроскопии [1-4,25-33], полученные при этом зависимости таких характеристик, как размер и плотность зерен, имеют только качественный характер, а размеры зерен приведены только для некоторых значений параметров осаждения. Для контролируемого получения HSG-Si пленок с заданными свойствами поверхности представляется необходимым изучение влияния условий формирования на морфологию поверхности пленок.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является изучение и установление оптимальных условий формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами, позволяющие контролируемым образом получать пленки с заданной морфологией (размерами и плотностью зерен) и создавать конденсаторы с повышенной емкостью на основе тонкопленочных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Найти температурный интервал образования HSG-Si пленок на основе анализа морфологии поверхности LPCVD пленок кремния, полученных при различных температурах осаждения для фиксированных наборов значений других параметров, посредством использования электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

2. Посредством анализа АСМ-изображений HSG-Si пленок найти зависимости от температуры осаждения и толщины осажденной пленки (времени осаждения) таких характеристик HSG-Si пленок как: коэффициент увеличения площади поверхности, размер зерен, плотность зерен, а также основных характеристик шероховатости, пространственных и корреляционных свойств поверхности.

3. На основе полученных зависимостей найти оптимальные условия, позволяющие формировать HSG-Si пленки с большой площадью поверхности.

Разработать технологический процесс изготовления конденсатора с повышенной емкостью на основе полученных HSG-Si пленок, совместимый со стандартным процессом изготовления изделий с конденсаторными структурами из поликристаллического кремния. Изготовить конденсаторные структуры с повышенной емкостью и провести изучение их электрических характеристик.

Научная новизна

В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие результаты:

1. Посредством атомно-силовой микроскопии (АСМ) детально изучена морфология пленок HSG-Si кремния и установлено:

- температура осаждения, при которой происходит переход от смешанных пленок к HSG-Si пленкам, смещается в сторону более высоких температур при росте толщины пленки;

- температурный интервал, в котором происходит образование HSG-Si пленок, уменьшается с ростом толщины осажденной пленки и составляет: 57100594°С для толщины 60 нм, 57800594°С для толщины 100 нм, 580°0594°С для толщины 150 нм;

- температура осаждения, при которой происходит переход от HSG-Si пленок к пленкам поликристаллического кремния (~594°С) слабо зависит от толщины пленки.

2. Для HSG-Si пленок впервые получены зависимости среднего латерального размера зерен, средней высоты зерен, плотности зерен, среднеквадратической шероховатости, корреляционной длины, величины относительного приращения площади поверхности от температуры осаждения и толщины осажденной пленки, позволяющие получать HSG-Si пленки с заданными свойствами.

3. Экспериментально изучена эволюция морфологии поверхности при росте HSG-Si пленки на основе использования скейлингового анализа АСМ изображений поверхности и впервые получены зависимости ширины интерфейса (среднеквадратической шероховатости) w(t)~tp, корреляционной длины £(t)~t1/z и длины волны (среднего расстояния между «холмами») X(t)~tp от времени осаждения t.

4. Проведен сравнительный анализ морфологии пленок аморфного, поликристаллического и ШО-81 кремния и показано, что в отличие от пленок аморфного и поликристаллического кремния обладающих свойствами самоаффинной поверхности, Жв^ пленки обладают свойствами «холмообразной» поверхности.

Практическая значимость

1. Установлены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3°С, временя осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584°С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. Применение этих пленок в конденсаторных структурах позволяет увеличить электрическую емкость в ~2 раза по сравнению со структурой с гладкими электродами, при сохранении других электрических параметров.

2. Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием ШО-81 пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

3. Полученные зависимости основных количественных характеристик поверхности ЬРСУГ) пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом получать ЬРСУБ пленки кремния с заданными свойствами поверхности, в том числе получать ШО-Б!

пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в

2 2 интервале от 1500 мкм" до 30 мкм" ).

Результаты диссертационной работы используются в производственном процессе ОАО «Ангстрем» при разработке конденсаторов с повышенной емкостью для изделий радиочастотной идентификации, что подтверждено актом об использовании.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии детально изучена морфология поверхности при росте Шв^ пленок кремния. На основе анализа АСМ-изображений:

- получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности пленок;

- изучена динамика роста Шв-Б! пленок и установлены механизмы формирования рельефа для различных толщин пленки.

2. Установленные зависимости основных количественных характеристик поверхности ЬРСУО пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом получать пленки кремния с заданными свойствами поверхности, в том числе получать Н80-81 пленки с заданным размером зерен (в интервале 20-180 нм) и плотностью зерен (в интервале от 1500 мкм"2 до 30 мкм"2).

3. Найдены оптимальные условия формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами с большой площадью поверхности (температура осаждения 584±3°С, время осаждения 16 минут (толщина пленки 96 нм), давление 200 мТорр, время отжига 20 мин, температура отжига 584°С), пригодные для использования в тонкопленочных конденсаторных структурах. На основе разработанных Шв^ пленок изготовлены конденсаторные структуры, емкость которых в ~2 раза превышает емкость конденсаторных структур с гладкими электродами.

4. Разработанный технологический процесс формирования конденсаторной структуры с использованием Н8С-81 пленок полностью совместим с технологическим процессом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2011». Москва, Зелен