автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Неразрушающий электрический контроль структур SiO2 Si в производстве МОП-транзисторов и МОП БИС

На правах рукописи

Бутусов Игорь Юрьевич

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУР БЮ2-Б1 В ПРОИЗВОДСТВЕ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ И МОП БИС

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников и микроэле троники Воронежского государственного университета.

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор Б.К. Петров.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических

наук H.H. Безрядин.

Кандидат физико-математическ наук А.П. Ровинский.

Ведущая организация: Воронежский государственный

технический университет

Защита состоится " 11 " шошс 1998 г. в /5~2° часов на засад нии диссертационного совета К063.48.02 в Воронежском государствен ном университете по адресу: 394693, г.Воронеж, Университетская пл. 1

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского п сударственного университета.

Автореферат разослан " В " иОНЛ 19&&Г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических'ба^к, долен В.И.Клюкин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современная радиоэлектроника и вычислительная хника основаны на широком использовании дискретных полупровод-[ковых приборов и интегральных схем. Структуры Si02-Si (пленки Si02 кремниевых пластинах) и создаваемые на их основе структуры металл-исел-полупроводник (МОП) являются основой элементной базы для югих современных дискретных полупроводниковых приборов и инте-альных схем. Высокие требования предъявляются к тонким пленкам 02 на кремнии (толщиной 0,005...0,2 мкм), используемым в качестве |Дзатворного диэлектрика в дискретных МОП-транзисторах, приборах с рядовой связью и МОП БИС.

Обеспечение высокого качества продукции и снижение ее себестои->сти в полупроводниковой промышленности может быть достигнуто лько при эффективном контроле за качеством технологического про-сса получения пленки Si02 на кремниевых пластинах.

Методы, используемые в полупроводниковом производстве при кон-оле характеристик пленок Si02, основаны на создании МОП-структур: и этом свойства пленок Si02 могут изменяться. При контроле качества енок Si02 на кремнии следует использовать неразрушающие методы.

Одним из неразрушающих методов для исследования и контроля ха-ктеристик пленок Si02 на кремниевых пластинах, получаемых в произ-дственных условиях, является метод зонда Кельвина. При использова-и этого метода измеряется разность потенциалов между измеритель-1м зондом и поверхностью исследуемого образца под зондом бескон-ктным способом. Прибор, измеряющий контактную разность потен-алов методом зонда Кельвина, имеет невысокую стоимость и прост в сплуатаиии.

Таким образом, метод зонда Кельвина целесообразно использовать в ловиях полупроводникового производства при неразрушающем элек-ическом контроле пленок Si02 на кремниевых пластинах.

Цель и основные задачи диссертации. Целью работы является раз-ботка аппаратных и методических средств для неразрушающего элек-ического контроля методом зонда Кельвина пленок Si02, получаемых в <нологических процессах термического окисления кремниевых пла-ин для создания подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах и ЭП БИС.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные дачи.

1. Разработка и создание аппаратных средств для автоматизирован-го измерения в последовательные моменты времени потенциала по-

верхности окисленных кремниевых пластин неразрушающим методе зонда Кельвина.

2. Разработка математической модели процесса разряда поверхнос пленки Si02 на кремниевой пластине в условиях применения метода зо да Кельвина.

3. Разработка аналитических методов для определения параметр! токопрохождения в пленке SiCb с использованием результатов измерен: методом зонда Кельвина потенциала ее поверхности.

4. Выбор электрических параметров для контроля качества плен< SiCb на кремнии, используемых в качестве подзатворного диэлектрика производстве МОП-транзисторов и МОП БИС.

5. Разработка методики контроля качества пленки Si02 на кремнии производстве МОП-транзисторов и МОП БИС.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результ тов заключается в следующем.

1. Разработана макроскопическая модель процесса разряда поверхн сти пленки Si02 на кремниевой пластине в условиях измерений методе зонда Кельвина. Процесс разряда предварительно положительно зар женной поверхности пленки S1O2 описан дифференциальным уравнение с учетом туннельной и омической составляющих тока, протекающего ч рез пленку Si02.

2. Получены в аналитическом виде решения модельных уравнени которые с использованием результатов измерений методом зонда Кел вина величин потенциалов поверхности пленки Si02 позволяют опред лить параметры токопрохождения в пленке Si02 на кремниевой пластин

3. Получены аналитические выражения для расчета с использован см экспериментальных данных значений потенциального барьера <рв ю электронов на границе раздела пленка Si02 - кремний, величин плотное! тока, протекающего через пленку SiO? при разряде ее поверхности, вклада омической составляющей в общий ток.

4. Впервые при неразрушающем контроле качества пленок Si02 1 кремниевых пластинах применен метод зонда Кельвина, позволяют! определить величину потенциального барьера на границе раздела Si02-: и омическую составляющую электропроводности пленки Si02.

Практическая значимость.

1. Разработаны аппаратные средства для измерения потенциала з ряженной поверхности окисленных кремниевых пластин в последов тельные моменты времени.

2. Разработана методика анализа результатов измерений потенциале поверхности окисленных кремниевых пластин в последовательные ли

1енты времени с целью определения величины потенциального барьера [ля электронов на границе пленки 810: с кремнием и параметров тока ¡азряда поверхности пленки 5102.

3. Предложено оценивать качество пленок БЮг на кремниевых платанах в производстве полупроводниковых приборов и интегральных :хем по величине потенциального барьера для электронов на границе нСЬ^ и величине омической составляющей электропроводности пленки

;ю2.

Практическая реализация результатов работы.

Разработанная автором установка для измерения потенциала заря-кенной поверхности окисленных кремниевых пластин в последователь-1ые моменты времени методом зонда Кельвина и методика обработки юлучаемых экспериментальных данных применяются на Воронежском аводе полупроводниковых приборов при контроле качества технологи-1еского процесса термического окисления кремния при создании подза-ворного диэлектрика мощных МОП-транзисторов (КП707, КП812) и 40П БИС (К1830ВЕ51, К1830ВЕ31) и в Воронежском государственном 'ниверситете при выполнении научных работ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Аппаратные средства для реализации метода зонда Кельвина с це-1ЫО неразрушающего электрического контроля подзатворпого диэлек-•рика из пленок 8Ю2 на кремнии в условиях полупроводникового произ-юдства.

2. Макроскопическая модель процесса разряда предварительно по-южительно заряженной поверхности пленки 8Ю2 на кремниевой пласти-{е, учитывающая туннельную и омическую проводимость в пленке 8Ю2.

3. Методика анализа результатов измерений потенциалов поверхно-;ти окисленных кремниевых пластин с целью определения величины по-енциального барьера для электронов на границе пленки 8Ю2 с кремние-юй пластиной и параметров тока разряда поверхности пленки 8Ю?.

4. Способ оценки в производственных условиях качества пленки 810: (а кремнии с использованием величин потенциального барьера для элек--ронов на границе пленки БЮг с кремнием и величины омической составляющей электропроводности пленки 8Юг, определяемых с помощью метода зонда Кельвина.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы юкладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической сонференции "Микроэлектроника и информатика -96" (г. Москва, 1996) и 1а Всероссийской научной конференции "Современные методы подго-

товки специалистов и совершенствование систем и средств наземно обеспечения авиации", (г. Воронеж, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве/ ния, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего наименовании. Диссертация содержит 134 страниц машинописного те ста, 14 рисунков, 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, фс мулируются цель и задачи работы, определяются научная новизна практическая значимость работы и приводятся основные положения, в носимые на защиту.

В первой главе проводится обзор литературных данных по эл£ трофизическим параметрам, влияющим на токопрохождение через пле ки БЮ2 на кремнии, и по методам контроля параметров структур 5102-5 Контроль электрофизических параметров особенно важен при сс дании тонких пленок 5Юг на кремнии, используемых в качестве под: творного диэлектрика в дискретных мощных МОП-транзисторах и бип лярных транзисторах с изолированным затвором (БПТИЗ) и в полев! транзисторах и приборах с зарядовой связью в составе ИС. Тонкие пле ки БЮг на кремнии (толщиной 0,01...0,15 мкм) получают, как прави; термическим окислением кремния. Они характеризуются широкой : прешенной зоной (9,2 эВ). Количество электронных энергетическ уровней в запрещенной зоне этих пленок должно быть минимально тонких пленках БЮг на кремнии в сильных электрических полях п; комнатной температуре перенос заряда обусловлен туннелированш электронов через треугольный потенциальный барьер по закону Фаулег Нордгейма. Зависимость плотности тока протекающего через плен 5102 на кремнии в направлении, перпендикулярном поверхности плень от напряженности электрического поля Е в пленке (при условии, ч кремний является катодом) имеет вид:

JF = аЕ1 ехр(-/3/Е), а = еъ/(Ы1срв), р= %л{1т*У'2<р'в2/(ЗеЛ). (! Здесь е - заряд электрона, т* - его эффективная масса, И - постоянн Планка, срц - высота потенциального барьера при туннелировании эле трона из кремния в 8102 (разность энергий между дном зоны проводим сти кремния и дном зоны проводимости 8Юг). Значение величины для пленок БЮ2 на кремнии зависит от способа се экспериментально определения и равно 3,2...2,9 эВ.

При наличии дефектов в пленке БЮг в ее запрещенной зоне имеются юктронные энергетические уровни. Поэтому в сильных электрических элях через тонкую пленку протекает ток с плотностью .1:

J = JF + JR, JR - уЕ . (2)

ок с плотностью обусловлен прыжковой проводимостью, он имеет чическую характеристику, величина у является омической составляю-;ей проводимости в пленке БЮг и зависит от плотности и взаимного зсположения электронных энергетических уровней в запрещенной зоне, тклонение зависимости ДЕ) от закона Фаулера-Нордгейма или умень-[ение величины у>в указывает на наличие дефектов в пленке 510:.

В главе проведен обзор методов исследования и контроля свойств пенок 8Юг на кремнии. Методы, применяемые в полупроводниковом роизводстве для контроля пленок БЮг, используемых в качестве подза-зорного диэлектрика, такие как методы измерения ВФХ (С-У- метод) и олной проводимости ( в-У- метод), определение ВАХ в зависимости от змпературы и в зависимости от облучения пленки БЮг фотонами раз-ичных энергий, требуют создания МОП - структур для получения до-олнительного контакта на исследуемой пленке. Таким образом, эти ме-эды являются разрушающими по отношению к пленке 5Ю2. Спектро-копические методы исследования, метод ЭПР, исследование люминес-енции пленки БЮг при фотонном облучении и другие неразрушаюшие етоды исследования очень сложны. Поэтому они не нашли применения полупроводниковом производстве для контроля пленок БЮ?, исполь-/емых в качестве подзатворного диэлектрика.

Среди неразрушающих методов исследования свойств пленки 510: еобходимо выделить метод зонда Кельвина, который дает возможность змернть потенциал поверхности структуры ЯЮ^-Бг Приборная реализа-ия этого метода относительно проста, поэтому он может быть исгюльзо-ан в условиях полупроводникового производства.

Эквивалентная схема измерения методом зонда Кельвина представ-яет собой цепь из последовательно соединенных индикатора перемен-ого тока, источника напряжения Ук и конденсатора с изменяемой емко-гью, образованного торцом измерительного зонда и структурой БЮ^-Б)'. 1з-за наличия конденсатора с изменяющейся емкостью в цепи может ротекать ток смещения. В процессе измерения напряжение Ук устанав-ивается таким образом, чтобы ток смещения был равен нулю. Это зна-ение Ук принимается в качестве величины потенциала поверхности труктуры БЮг-Э!. При измерениях зонд колеблется в направлении, пер-ендикулярном поверхности пленки 5102. Емкость промежутка (воздуш-ого зазора), образованного торцом измерительного зонда и поверхно-

стью пленки БЮг, изменяется во времени; емкость, образованная пле> кой БЮ2 на кремнии, и емкость, образующаяся за счет существоваш области пространственного заряда (ОПЗ) в кремнии, не изменяются. Пр отсутствии тока смещения напряженность электрического поля в во душном зазоре равна нулю, и напряжение Ук складывается из падеж напряжения в ОПЗ кремния, падения напряжения на пленке БЮ? и пад ния напряжения, обусловленного разностью работ выхода платины кремния.

Метод зонда Кельвина использовался для определения величины $ при измерении скорости уменьшения положительного заряда на повер: ности пленки БЮг за счет его нейтрализации туннелирующими из кре;\ ния в Б¡02 электронами, при этом для высококачественных пленок БК получено да = 3,2 эВ.

Во второй главе изложены вопросы аналитического определен! параметров токопрохождения в пленке 8102 на кремниевой пластине использованием экспериментальных данных. При неразрушаюшем ст собе исследования с применением зонда Кельвина электрических своист пленки БЮг на кремниевой пластине поверхность пленки предварнтел но заряжается положительным зарядом, который потом с течением вр| мени уменьшается, одновременно уменьшается потенциал Ук поверхш сти пленки. Значения , измеренные в последовательные момент времени 1,, являются'источником информации об электрических свойс вах пленки БЮг на кремнии. Для получения такой информации разраб< тана макроскопическая модель протекания тока разряда в пленке БЮз направлении, перпендикулярном к ее заряженной поверхности. Заряже] ная пленка БЮг на кремниевой пластине является плоским конденсат! ром, толщина диэлектрического слоя в нем - это толщина с/ пленки БЮ Плотность тока 3 разряда поверхности пленки пропорциональна прои водной по времени напряженности поля £ в пленке БЮг

-££0Ë-J. (3)

Здесь с = 3,85 (для пленки 5Ю2), еп = 8,85-10"12 Ф/м. Величины £ и \ связаны соотношением Ук =£с/. При наличии в пленке 8Ю2 на кремни туннельной проводимости и прыжковой проводимости дифференциал ное уравнение (3) имеет вид:

- ££0Ё = аЕ2 ехр(- /?/£) + уЕ. (4)

Начальное условие г=/0 , £=£0. Постоянные величины а, Д у являютс параметрами токопрохождения в пленке БЮг на кремнии; и их числе: ные значения могут быть определены при сравнении аналитического р<

1ения уравнения (4) со значениями величины Е, полученными из резуль-атов измерений величины У«.

При наличии, в основном, туннельной проводимости электронов по акону Фаулера-Нордгейма в результате решения уравнения (4) получает-ч следующая зависимость величины у - МЕ от времени:

у = [\п{1+Т)]ЦЗ + Ъ. (5)

Здесь Т - (ее0 /а/7) ехр(/?у0) - /0, Ь = [1п(а/? ее0)]//? - постоянные еличины, численные значения которых определяются с использованием кспериментальных данных.

При наличии двух механизмов проводимости в пленке 510: на крем-ии у^о. Для получения решения уравнения (4) используется подстанов-ау= МЕ. В результате получено уравнение

у= яехр(-/?К) + гу, (6)

а = а / (ее0), г = у¡££0. (7)

[ачальное условие /=/о , У=Уо-

трогое решение уравнения (6) не удается получить в аналитическом ви-е. Для получения приближенного аналитического представления реше-ия вводится отклонение величины у от значения у0: Ауо=у-уо. В качестве •тчения г0 принята середина интервала времени, в течение которого роводятся измерения величины Ущ. Изменение величины ду, как это ^едует из экспериментальных данных, не превышает 5% от значения уо. [ри этом условии можно, опустив малую величину г ду, перейти от урав-ения (6) к следующему уравнению:

у = аехр(-^) + /70. (8)

Решение этого уравнения имеет вид:

у= [\п{\ + /ЗрП\!Р + Ч^у (9)

Е = [1 - ехр(-/?/7Д/)]//% (д/ = ( - (0), (10)

р = аехр(-Дуп), д = гу0. (11)

В результате приближенного учета малой величины гьу получено риблпженное решение уравнения (6) в следующем виде:

/?лу = [1п(1 + ррЕ) + /*7Дг]/(1 - 0,5глг). (12)

Для определения численных значений параметров токопрохождения пленке БЮг на кремнии и величины потенциального барьера на грани-е БЮг - разработана методика анализа измерений, полученных с при-енением метода зонда Кельвина. Исходными данными для анализа яв-яются значения потенциалов У^ поверхности пленки 5102, измеренные моменты времени с-,, шаг по времени А( постоянен. На интервале вре-ени измерения определяется центральная точка /о, от которой произво-

дится отсчет в положительном и отрицательном направлениях. Весь ^ тервал времени делится на десять равных промежутков, граничными тс ками которых являются одиннадцать значений времени (i = -5, -4, -3, -1,0, 1,2, 3, 4, 5). Этим значениям времени соответствуют одиннадцс измеренных значений V^; для каждого из них определяются значения = Vk, / d, _>'э¡ = 1 / E¡. На первом этапе анализа значения >'э. обрабат ваются по методу наименьших квадратов, в результате чего вычисляют новые значения y¡ , соответствующие указанным выше значениям вре,% ни . Определяется значение первой производной по времени у0 для n мента времени /0-

На втором этапе анализа результатов измерений используется реп ние в форме (5), полученное для уравнения (4), с помощью которого с разуется следующая система уравнений:

y¡=[Ht,+T)]/fi+b (i = l,m,n). (13

Здесь используются значения у1,ут,у„, определенные эксперименталь в моменты времени t,,tm,tn. Разработан алгоритм решения этой cnc¡ мы уравнений для определения численных значений величин Г, ДА. Е личина потенциального барьера <рв (эВ) на границе S¡02 - Si определяет через значение /3 (м/В):

(рп - 0,3536 (/3-10"9)2'3 • (И

Это соотношение следует из выражения (1) (т' = 0,48). При выполнен условия <рв > 2,9 эВ ток разряда поверхности пленки SÍO2 обусловлен основном, туннельной проводимостью по Фаулеру-Нордгейму. В то разряда может быть незначительная составляющая, обусловленная ом ческой проводимостью, доля которой в общем токе мала, соответствен мала и величина омической составляющей электропроводности; эти г личины для /=?о определяются следующим образом;

Ло/Ч = (Ус - )/Уо . Г = «о (Уо - Уга У У о , ?F0 = í[(fo + Т)Р]. Значение параметра а находится из выражения (5):

Если срв < 2,9 эВ, то в токе разряда поверхности пленки Si02 имеется 31 чительная доля тока, обусловленная омической проводимостью, обии ток разряда увеличивается. Показано аналитически и эксперименталь подтверждено, что увеличение тока разряда в рамках закона Фаулер Нордгейма может быть обеспечено уменьшением эффективной величш потенциального барьера на границе Si02 - Si. Для определения параме ров токопрохождения в этом случае выполняется третий этап анали: Рабочие формулы получены на основе приближенных аналитическ]

[редставлений (с помощью дробно-линейных функций) выражений (9) и 12). Расчеты выполняются с использованием следующих значений: ц; /о, ж Ь, у*, Уо- Определяются последовательно значения следующих ;еличин.

1- &У> =У1~Уо> т = К - <о |> к, = | ду, 1/Сз>0г) (/ = ±4).

2 л- 1 2к-*Ка ~(л"-4 + *4-> в = 1 + ~2

3. р =

Уп

т к_л - кл г

5 Г '

1 + 1\ + 2А ">

2 А ц

—. '• = —. Р = У о~<1-

Р Уо

В2 У о

4. Величина щ определяется по формуле (14)

5- Ло/Ч =Я/(Р + Ч\ у = ££0-г, а = ее0ре\р(Ду0).

Для величины полной электропроводности имеем: сг = а(2Е +/3)ехр(-/]/Е) + у.

В третьей главе описана конструкция установки для электрического онтроля методом зонда Кельвина пленок БЮг на кремниевых пластинах, спользуемых в полупроводниковом производстве, созданная на основе змерителя потенциала поверхности ИПП-006. Установка ИПП-006 была азработана при участии автора в Воронежском государственном универ-итете. С помощью этой установки контролируется технологический роцесс отмывки исходных кремниевых пластин перед их окислением и езультат технологического процесса окисления кремниевых пластин. гстановка ИПП-006 позволяет измерять потенциал поверхности Ук ремниевых пластин без освещения и с освещением инфракрасным све-ом с целыо оценки приповерхностного изгиба энергетических зон в ремнии. Эта установка дает возможность заряжать поверхность окис-енных кремниевых пластин в коронном разряде с последующим изме-ением потенциала их поверхности. С помощью установки ИПП-006 не-озможно было определять качество пленки БЮ? на кремнии по значе-ию величины <рц и соответствию ,1(/Г) закону Фаулера-Нордгейма.

Установка для электрического контроля пленок 5Ю2 на кремнии редставляет собой установку ИПП-006, доработанную следующим обра-зм. Разработан и введен в установку генератор линейно-изменяющегося э времени напряжения, что позволило автоматически регистрировать зличину Ук в последовательные моменты времени. Полностью автома-изирована система поддержания расстояния между измерительным зонам и поверхностью исследуемого образца во время проведения измере-ий путем введения в электронную схему установки мощного нелинейно) усилителя. Кроме того, проведены доработки ряда электронных блоков

установки ИПП-006, в результате чего стало возможно расширить прех лы измерения величины Ук до 0...± 146 В (вместо 0...± 100 В) при п грешности измерения У« не более 0,01 В (вместо 0,2 В) и, таким образо стало возможно контролировать пленки 8Ю2 на кремнии толщиной , 0,2 мкм.

В данной главе подробно изложена методика выполнения измерен] с целью определения параметров токопрохожденля контролируем! пленки 8Ю2 на кремниевой пластине.

Приведены результаты контрольных измерений для применяемо метода зонда Кельвина. Для контрольных измерений использовала структура поликремний - пленка БЮг - кремниевая пластина. Толщи пленки 8Ю2 равна 0,105 мкм. Контрольные измерения выполнялись де мя способами: измерением в последовательные моменты времени вел чин Ук методом зонда Кельвина с последующим численным диффере цированием на локальных участках и прямым измерением тока, текуше через структуру. Результаты измерений, полученных этими двумя мет дами, в виде вольтамперной характеристики, приведены на рис.1. Вел чины токов, полученных разными методами, совпадают с точностью хуже 2...5%.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных [: следований пленок 8Ю2 на кремниевых пластинах, полученные с пом щыо метода зонда Кельвина. Подробно показан весь ход аналитичесю обработки экспериментальных данных на примере семи образцов. Ка: дый из этих образцов представляет собой кремниевую пластину с пле кой 8Ю2 на его поверхности, которая изготовлена термическим окис; нием кремния в процессе получения подзатворного диэлектрика д мошных МОП-транзисторов и МОП БИС на АООТ "ВЗПП". Величт потенциала поверхности Ук в последовательные моменты времени I мерялись с помощью доработанной установки ИПП-006. Анализ эксг риментальных данных проведен по методике, изложенной во второй г; ве. Отличие результатов, полученных после применения метода на меньших квадратов, от исходных экспериментальных данных не превс ходит 0,03%. Отличие измеренных значений Ук от значений, рассчита ных с использованием полученных значений параметров токопрохожх ния, не превосходит 0,05%.

Первые три из исследованных образцов изготовлены "сухим" терм ческим окислением кремния (Т=1000°С, толщина 8Ю2 - 0,03 0,0415 мкм) в технологических процессах получения подзатворного д электрика для КМОП процессоров в интегральном исполь

ии(К1830ВЕ51, К1830ВЕ31). Эти образцы имеют большие значения ве-ичины (рв (3,00...3,07 эВ) и малые значения у ((0,76...1,75)х Ю"17 (ом-м)"17).

1п

10'12 А 120

100

80

60

40

20

14 16 18 20 22 УП,УК!В

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика пленки БЮг

(результаты контрольных измерений, полученные прямым методом (+) и с помощью метода зонда Кельвина (•))

Следующие два образца получены в процессе пирогенного термиче-<ого окисления кремния (Т=850°С, толщина 8Ю2 - 0,043 и 0,059 мкм) в ;хнологических процессах получения подзатворного диэлектрика для ощных МОП - транзисторов (КП809, КП813). Они имеют достаточно эльшие значения величины щ (2,94...2,93 эВ) и малые значения у 0,7...2)-10'17(ом-м)"'). В процессе измерений через эти образцы протекал ж, обусловленный, в основном, туннельной проводимостью электронов э закону Фаулера-Нордгейма. Последние два исследованных образца яв-

/

/ 1

/

<

л»

ляются явным браком. Они имеют большие значения величины у (по рядка 4-10"15 (ом-м)'1) и малые значения величины (рв (до 1,84 эВ). Дол; тока, обусловленного туннельной проводимостью, протекающего чере: пленку БЮг этих образцов, составляла менее 50%. В процессе проведе ния измерений на пяти первых образцах при изменении напряженносп электрического поля Е в пленке БЮг на 4...7% плотность тока разряд; изменялась в 5... 15 раз. Для последних двух образцов при изменении Е н. 3,7. .4,9% Л изменялась в 1,93...1,95 раза. Для образцов, имеющих вы сокое качество пленки 5Ю2, полученных в однотипных технологически: процессах окисления при оптимальных технологических режимах, пара метры щ и у имеют практически одинаковые значения.

Фв эВ 3.5

до перерыва

У

10 '7 (ом м)'1

20 50 100 150 200

количество часов работы оборудования после перерыва

Рис. 2. Влияние перерыва в работе технологического оборудования на величины фв ( О ) и у (■ )

Проведен анализ влияния различных технологических факторов п< лучения пленок БЮ2 на кремнии на значения параметров <рв и у. Изм( рения проводились в цеховых условиях полупроводникового произволе ва на пластинах - "спутниках" рабочих партий. Одним из важней нн факторов, влияющих на параметры щ и у, является непрерывность те:

юлогического процесса окисления. Его влияние на величины щ и у [риведено на рис.2. Из рис.2 видно, что чем больше время непрерывной 1аботы технологического оборудования, тем величина омической прово-;имости у меньше, величина барьера щ при этом изменяется незначи-ельно и с течением времени ее изменения уменьшаются. Такое поведете величин срв и у объясняется медленным "очищением" газовой сре-;ы, окисляющей кремниевую пластину в процессе непрерывной работы ехнологического оборудования. Проанализировано влияние различных пособов термического окисления кремния и влияние примесей в газовой реде, окисляющей кремний, на качество получаемых пленок 8Ю2. Ре-ультаты измерений величины срв и у представлены на рис.3. Из этих энных видно, что при сухом термическом способе окисления пленка ¡Ю2 получается лучшего качества, чем при пирогенном термическом кислении, т.к. в последнем случае окисел получается более рыхлым.

фв эВ 3,5

У

10'" (ом м)1

-о_о_0_а

о о О о ° о

а)

б)

В)

о

о

о

о

о

о

о

Рис.3. Величины срв(0)и у (■) для пленок 8102, полученных в разных условиях: а) сухое окисление; б) пирогенное окисление; в) наличие примесей в окисляющей газовой смеси

Наличие примесей в окисляющей газовой среде в процессе термич ского окисления кремния ведет к ухудшению качества получаемых пл нок Si02, как это видно из рис.3. Примеси в газовую среду могут поп дать из-за дефектов в технологическом оборудовании, из-за использов ния химических реактивов, не соответствующих технологическим треб' ваниям, и из-за некачественной химической отмывки кремниевых пл стин перед их окислением.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненных исследований в диссертации разработг метод неразрушающего электрического контроля пленки Si02 на крег ниевых пластинах на основе применения метода зонда Кельвина. Пре ложено оценивать качество пленок S1O2 на кремнии, получаемых в ра личных технологических процессах термического окисления кремниевь пластин для создания подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах МОП БИС, по величине потенциального барьера щ для электронов i границе Si02-Si и омической составляющей электропроводности у плеш Si02. При реализации этого метода получены следующие результаты.

1. Создана оригинальная установка для неразрушающего электрич ского контроля пленки Si02 на кремниевых пластинах методом зон; Кельвина, обеспечивающая автоматизированную регистрацию результ тов измерений потенциалов поверхности пленки Si02 в последовател ные моменты времени после предварительного заряда ее поверхности коронном разряде. Разработана методика проведения измерений. П[ контрольных измерениях, выполненных прямым контактным методом методом с применением зонда Кельвина, получено совпадение велич! токов, протекающих через плепку Si02.

2. Предложна макроскопическая модель процесса разряда гюверхн сти пленки Si02 в условиях применения метода зонда Кельвина. Проце разряда поверхности пленки Si02, которая предварительно заряжена п ложительно, описан дифференциальными уравнениями с учетом ту нельной и омической составляющих тока разряда, для которых найдеь решения в аналитическом виде. Это позволяет определять величины г раметров токопрохождения ера, у в пленке Si02 с использованием эксг; риментальных данных.

3. Разработана методика расчета по экспериментальным данным е личины потенциального барьера (рв для электронов на границе плен Si02 с кремниевой пластиной, величины плотности тока J разряда, вел

ины вклада омической составляющей в общий ток разряда, величины пектропроводности а и ее омической составляющей у .

4. Установлено, что величина потенциального барьера на границе ленки БЮг и кремниевой пластины и величина омической составляю-1ей электропроводности у пленки БЮг , определенные с помощью мето-а зонда Кельвина, характеризуют качество процесса окисления кремневой пластины в полупроводниковом производстве. Значения величин п и у зависят от состава газовой смеси, окисляющей кремниевую плагину, и от состояния технологического оборудования. Пленки БЮт на ремнии, полученные в однотипных технологических процессах окисле-ия при оптимальных технологических параметрах, имеют практически цинаковые значения <рв и у. При "сухом" термическом окислении <рв 1ВНО 3,0...3,1 эВ, при "пирогенном" термическом окислении <£в равно ,90...2,95 эВ, величина у при обоих типах окисления составляет около X17 (ом-м)'1. При наличии примесей в газовой смеси, окисляющей кремневую пластину, величина (рв лежит в пределах от 1,8 до 2,95 эВ, а ве-ичинау становится порядка 10"16..Л0"13 (ом-м)"1.

5. Предложено использовать разработанный метод определения зна-;ний величин <ра и у в производстве МОП-транзисторах и МОП БИС при ^разрушающем контроле качества пленок БЮг на кремниевых пласти-IX, используемых в качестве подзатворного диэлектрика. Хорошему ка-гству пленок БЮг на кремнии соответствуют величины цъ 2,9 эВ

у < 5-10"17(ом-м)"'.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Бутусов И.10., Котов В.В., Крячко В В. Измерение поперечной эоводимости тонких пленок диоксида кремнияЮлектронная промыш-пшость. -1994. -№4-5. -С.106-107.

2.Бутусов И.Ю., Крячко В.В. Определение туннельной проводимости пленках диоксида кремния на кремнии бесконтактным способом. В кн.: изика и технология материалов электронной техники. -Воронеж: Изд. ГТУ, 1994. -С.78-81.

3.Бутусов И.Ю. Определение тока и типов проводимостей в пленке юксида кремния на кремнии бесконтактным методом/Боронежский |С.ун-т.-Воронеж, 1995. 11 с. Деп. В ВИНИТИ 15.12.95 г. №3353-В95.

4. Крячко В.В., Бутусов И.Ю., Котов В.В., Олейниченко В.А. Изме-;ние проводимости диэлектрических пленок на проводящей подложке

бесконтактным методом/Воронежский гос.ун-т.-Воронеж, 1992. 15 с Деп.в ВИНИТИ 25.12.92. №3352-В92.

5.Бутусов И.Ю., Крячко В.В. Исследование проводимости пленю 5102 на кремнии бесконтактным способом/Гез.докл. на Межвузовско! науч.-тех. конф. "Микроэлектроника и информатика-96". М.:МГИЭТ(ТУ), 1996. -С.61.

6.Бутусов И.Ю. Определение параметров тока в пленке 5Юг н кремнии бесконтактным способом/Гез. Докл. На Всероссийской научно конференции. "Современные методы подготовки специалистов и совер шенствование систем и средств наземного обеспечения авиации". Воронеж:ВВВАИУ, 1997. -С.270-272.

7.Бутусов И.Ю. Расчет электрических параметров пленки диоксид кремния на кремнии по экспериментальным данным. В кн.: Твердотел1 пая электроника и микроэлектроника. -Воронеж: Изд.ВГТУ, 1997. -С.6: 67.

8.Бутусов И.Ю., Крячко В.В., Лобов И.Е., Котов В В. Измерение тенциала поверхности кремниевых пластин в процессе производств БИСЮлектронная промышленность.-1994.-№4-5. -С.104-105.

9.Бутусов И.Ю., Крячко В В., Котов В В., Сухоруков Н.И. Определ( ние чистоты поверхности кремниевых пластин в производстве БИС Электронная промышленность. -1994.-№4-5. -С. 111-113.

10.Крячко В.В., Бутусов И.Ю., Линник В.Д., Сонов Г.В Измереш профиля плотности зарядовых состояний на окисленных кремниевы пластинах/Электронная промышленность. -1994.-№4-5. -С. 109-111.

П.Бутусов И.Ю., Крячко В.В., Тонких Н.Н. Измерение распредел! ния электрической прочности тонких диоксидных пленок/Электронн; промышленность. -1994.-№4-5. -С. 108-109.

12.Крячко В В., Бутусов И.Ю. Блок измерения дифференциально! потенциала для автоматизированного бесконтактного измерителя поте1 циала поверхности. В кн: Элементы и устройства микроэлектронной а1

паратуры. -Воронеж: Изд. ВГТУ, 1998. -С.65-67.

^^--

Заказ № от8.? '? 1998 г. Тир.ЮО экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ