На правах рукописи НОВАК АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
реклама
На правах рукописи 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 Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре «Интегральной электроники и микросистем» Национального исследовательского университета «МИЭТ» Научный руководитель: Парменов Юрий Алексеевич, Официальные оппоненты: Гуляев Александр Михайлович, Воронов Юрий Александрович, кандидат технических наук, профессор доктор технических наук, профессор кафедры полупроводниковой электроники Национального исследовательского университета «МЭИ» 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 2 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 3 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 4 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°С÷594°С для толщины 60 нм, 578°С÷594°С для толщины 100 нм, 580°С÷594°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 β, корреляционной длины ξ(t)~t 1/z и длины волны (среднего расстояния между «холмами») λ(t)~ tp 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. 5 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 HSG-Si 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 LPCVD пленок кремния от температуры осаждения и времени осаждения (толщины осажденной пленки) позволяют контролируемым образом формировать LPCVD пленки кремния с заданными 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). На защиту выносятся следующие результаты 1. Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии детально изучена морфология поверхности при росте HSG-Si пленок кремния. На основе анализа АСМ-изображений: получены основные параметры и функции, характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности пленок; изучена динамика роста HSG-Si пленок и установлены механизмы формирования рельефа для различных толщин пленки. 2. Установленные зависимости основных количественных характеристик поверхности LPCVD 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 HSG-Si 6 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 HSG-Si 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 HSG-Si 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 для изделий радиочастотной идентификации, что подтверждено актом об использовании. Апробация работы Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 18-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция «Микроэлектроника и информатика – 2011», Москва, МИЭТ 2011; III-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; IV-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; XVIII-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; XXV-я Российская конференция по электронной микроскопии «РКЭМ2014», Черноголовка, 2014. 7 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 (HSG-Si). В первой части главы приводится обзор работ, посвященных использованию пленок HSG-Si в микроэлектронике, а также по технологии получения пленок HSG-Si. Проводится обзор методов, использовавшихся для изучения HSG-Si пленок и оценки их качества. Во второй части главы проведен анализ литературных данных, посвященных особенности формирования HSG-Si пленок, а также изучению влияния условий формирования на морфологию и свойства HSG-Si пленок. Получение HSG-Si пленок сложным образом зависит от множества технологических параметров и факторов, таких как температура, давление при осаждении и других параметров, влияющих на свойства HSG-Si пленок. При этом опубликованные данные по оптимальным условиям получения HSG-Si 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 HSG-Si пленок. Для сравнения и оценки электрических свойств конденсаторных структур используют такие характеристики и параметры, как коэффициент увеличения емкости, толщина 8 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 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. При этом в настоящее время достаточно развит метод атомно-силовой микроскопии. АСМизображения 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 HSG кремния на основе использования атомно-силовой микроскопии и последующего анализа АСМ-изображений, посредством математической обработки на основе использования современных программных пакетов по обработке АСМизображений, 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 (LPCVD) для температурной области, содержащей переход от аморфного к поликристаллическому кремнию, с целью определения температурного интервала образования HSG-Si пленок. В начале главы представлены экспериментальные методы и оборудование, использовавшиеся для получения и исследования HSG-Si пленок. Пленки кремния получали в трубчатом горизонтальном реакторе ASM-LPCVD при разложении моносилана (SiH4). Образование HSG-Si 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 9 площадью поверхности происходит в очень узком температурном интервале (~5°C), 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 620ºC. Давление моносилана при осаждении было фиксированным и составляло 0,2 Торр. 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 550ºС до 620ºС с шагом 10-15ºС, 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 550ºС до 620ºС. Рис. 1. АСМ-изображения размером 2 мкм × 2 мкм пленок кремния осажденных в широком температурном интервале от 550 до 620ºC 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÷595°С с шагом 2÷5°С, и детально изучена их морфология посредством использования АСМ микроскопии. На рис. 2 приведен ряд выборочных АСМ10 изображений для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм), осажденных при одинаковых температурах в интервале (571°С÷595°С), которые наглядно демонстрируют, как с изменением температуры осаждения Td и толщины осажденной пленки меняется морфология пленок. Рис. 2. АСМ-изображения для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм), осажденных при одинаковых температурах, лежащих в интервале 571°С÷595°С 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=(1/Ng)1/2, 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. 11 Рис. 3. Зависимости среднего размера зерен Dg (а) и плотности зерен Ng (б) от температуры осаждения Td для трех толщин пленок (60 нм, 100 нм и 150 нм) Рис. 4. Зависимости относительного приращения площади поверхности Sdr (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 571°С÷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 571°С÷594°С; для толщины 100 нм 578°С÷594°С; для толщины 150 нм 580°С÷594°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. 12 В исследованном температурном интервале (571−595°C) происходит изменение формы зерен. Так, для пленки толщиной 100 нм, с ростом температуры изменяется отношение средней высоты зерен к среднему латеральному размеру зерен Zg/Dg и составляет: 0,45 (571°C); 0,6 (578°C); 0,9 (583°C); 0,24 (595°C). Найдено, что максимальную величину Sdr, равную ~80%, а также наибольшее отношение Zg/Dg=0,9 имеют пленки толщиной 100 нм, полученные при температуре осаждения Td≈584±3°С и давлении 200 мТорр. В третьей главе проводится сравнительный анализ морфологии пленок HSG кремния, пленок аморфного и «гладкого» поликристаллического кремния, а также изучается эволюция поверхности при росте толщины пленок HSG кремния. Функции распределения высоты поверхности, амплитудные параметры пленок аморфного, HSG и поликристаллического кремния На рис. 7 приведены АСМ-изображения и соответствующие им функции распределения высот поверхности (гистограммы распределения высот) для пленок аморфного, HSG и поликристаллического кремния, одинаковой толщины (100 нм). Рис. 7. АСМ-изображения и гистограммы распределения высоты поверхности пленок: аморфного кремния (550°C) (а), HSG-Si (583°C) (б) и поликристаллического «гладкого» кремния (595°C) (в) 13 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 (Ssk = 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 HSG-Si. a-Si HSG-Si 2,0×2,0 мкм2 2,0×2,0 мкм2 Амплитудные параметры Среднеквадратическая 1,15±0,04 18,6±1,2 шероховатость Sq, нм Арифметическая 0,91±0,03 15,1±1,1 шероховатость Sa, нм Максимальная высота 11,0±0,92 123,0±4,1 рельефа поверхности Sz, нм Высота самого высокого 5,48±1,59 36,1±3,3 пика Sp, нм Глубина самой глубокой 5,54±0,86 86,9±1,9 впадины Sv, нм Асимметрия Ssk 0,028±0,087 -0,91±0,11 Эксцесс Sku 3,25±0,05 3,31±0,31 Пространственные параметры Автокорреляционная длина 17,8±0,7 43,2±2,1 Sal, нм Аспектное отношение 0,92±0,01 0,89±0,03 текстуры Str Скейлинговые, корреляционные параметры Показатель шероховатости α 0,91±0,01 0,92±0,01 Латеральная корреляционная 21,2±0,7 51,1±2,0 длина ξ, нм Ширина интерфейса w, нм 1,16±0,01 18,6±2,8 Длина волны λ, нм 221±10 14 poly-Si 2,0×2,0 мкм2 3,06±0,08 2,41±0,07 28,4±1,7 14,8±0,8 13,6±2,1 0,375±0,035 3,42±0,08 23,7±1,0 0,92±0,04 0,92±0,02 27,9±0,5 3,11±0,02 Корреляционные и пространственные свойства поверхности пленок aSi, poly-Si и HSG-Si Для характеристики пространственных и корреляционных свойств поверхности используют автокорреляционную функцию R(r) = <Z(r′)Z(r′ − r)> и корреляционную функцию высота-высота H(r) = <[Z(r′) − Z(r′ − r)]2>, которые получают усреднением по всем парам точек, отстоящим одна от другой на фиксированный вектор сдвига r, по выборочной площади S. Эти функции связаны соотношением: H(r) = 2w2 − 2R(r), где w = (<[Z(r) − <Z(r)>]2>)1/2 называют шириной интерфейса, а также среднеквадратической шероховатостью поверхности, w ≡ Sq. Для статистически изотропных поверхностей R(r) зависит только от модуля r: R(r) = R(|r|) = R(r). Из автокорреляционной функции R(r) определяют пространственные параметры поверхности: корреляционную длину Sal, соответствующую модулю сдвига r в направлении «быстрого» спада R(r) до уровня R(0)/e, аналогично Ssl – корреляционную длину в направлении «медленного» спада, Str – аспектное отношение текстуры, равное отношению Sal/Ssl. В случае изотропной поверхности Str имеет величину, близкую к единице. Для изученных нами пленок величина Str 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) ~ r2α при r << ξ и H(r) ≈ 2w2 при r >> ξ, где α–показатель шероховатости (roughness exponent), называемый также показателем Херста, ξ–латеральная корреляционная длина, которая определяет верхнюю границу области самоаффинности и является характеристикой нерегулярности поверхности в латеральном направлении. Флуктуации высоты на малых масштабах (r < ξ) являются коррелированными и зависимыми, а на больших масштабах (r > ξ) являются некоррелированными, т. е. случайными, и H(r) достигает постоянной величины (2w2). Коэффициент α характеризует степень нерегулярности поверхности на малых масштабах (r < ξ). На рис. 8 приведены графики корреляционных функций H(r) для исследуемых пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si, построенные в 15 логарифмическом масштабе. Величина коэффициента α, определенная из наклона начального участка H(r), для всех трех типов пленок имеет одинаковое значение ≈ 0,92. Для пленок a-Si, poly-Si и HSG-Si найденные значения корреляционной длины ξ 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 H(r) для LPCVD пленок аморфного, поликристаллического «гладкого» кремния и HSG-Si. Найдено из корреляционной функции высота-высота H(r), 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 H(r) при r > ξ 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. 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 Такое поведение функции H(r) 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 λ, которая соответствует среднему расстоянию между «холмами». 16 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 λ, найденное из зависимости H(r) 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 H(r) 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) На рис. 11 представлены графики корреляционных функций H(r,t) 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). Величина показателя шероховатости α, определенная из наклона 17 начального участка H(r), имеет одинаковое значение α = 0,92±0,03 для всех пленок. Полученная величина совпадает с данными для LPCVD пленок аморфного и поликристаллического кремния (α = 0,92±0,03), полученных нами. Начальные участки на H(r) для всех толщин практически совпадают. Из этого следует, что локальный наклон поверхности в процессе роста остается постоянным, т.е. рост является стационарным. На зависимостях H(r), для всех пленок, при r > ξ можно заметить наличие осцилляций, которые лучше видны на графике, построенном в полулогарифмическом масштабе (вставка на рис. 11). Из семейства корреляционных функций H(r,t) определялись временные зависимости ширины интерфейса (среднеквадратической шероховатости) w(t) ~ t β, латеральной корреляционной длины ξ(t) ~ t1/z и длина волны λ(t) ~ t p, где скейлинговые коэффициенты: β – показатель роста, z – динамический коэффициент, p – показатель длины волны. На полученных зависимостях ширины интерфейса w(t), латеральной корреляционной длины ξ(t) и длины волны λ(t) от времени осаждения t на рис. 12 можно выделить три временных интервала, которым соответствуют различные значения скейлинговых коэффициентов β, 1/z, p. Рис. 12. Зависимости ширины интерфейса w(t), латеральной корреляционной длины ξ(t) и длины волны λ(t) от времени осаждения t 18 Динамика роста при толщине < 67 нм характеризуется скейлинговыми коэффициентами: β = 0,19±0.05, 1/z=0,24±0,04, p=0,25±0,05, что согласуется с моделью роста за счет поверхностной диффузии. При толщине 67÷96 нм показатель роста увеличивается (β ≈ 0,66), а затем при толщине > 96 нм уменьшается (β < 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 (1/z≈β/α), а также, что зависимости ξ(t) и λ(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 Торр, 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 19 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 Td≈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). 20 Был разработан технологический маршрут изготовления конденсатора с нижним электродом из слоя HSG-Si, который был встроен в технологический маршрут изготовления микросхемы RFID. Получаемые конденсаторы RFID использовались в качестве тестовых структур при исследовании электрических характеристик конденсаторов с повышенной емкостью на основе HSG-Si пленок и тонких слоев нитрида кремния Si3N4. На рис. 15,б представлена фотография микросхемы радиочастотной идентификации (RFID). 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/Cpoly-Si (CHSG-Si – электрическая емкость конденсатора с нижним электродом на основе HSG-Si пленки, а Cpoly-Si – электрическая емкость конденсатора с электродом на основе «гладкого» поликристаллического кремния) имели конденсаторы с толщиной диэлектрического слоя dSi3N4=8,5 нм. Значения электрических емкостей конденсаторов составили CHSG-Si ≈ 3,47 нФ, Cpoly-Si≈1,66 нФ, и соответственно коэффициент увеличения емкости AEF=CHSG-Si/CpolySi=3,47 нФ/1,66 нФ ≈ 2,1. 21 Уменьшение коэффициента AEF объясняется тем, что с ростом толщины диэлектрического слоя (Si3N4) происходит уменьшение эффективной площади электродов конденсатора. Рис. 16. Зависимость коэффициента увеличения емкости AEF от толщины диэлектрического слоя dSi3N4. Различие между приращением площади поверхности Sdr~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 Sdr, 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. Рис. 17. Зависимость тока I от напряжения U для конденсаторов обеих типов, при толщине диэлектрического слоя а) 15 нм и б) 23 нм 22 Поскольку в конденсаторах тонкие диэлектрические слои на основе нитрида кремния являются многослойными (ONO – окисел-нитридокисел, NO – нитрид-окисел, ONONO), поэтому для характеристики диэлектрических слоев применяют понятие эквивалентной оксидной толщины диэлектрического слоя – teq и эквивалентной напряженности электрического поля – Eeq. Эквивалентная оксидная толщина teq для диэлектрического слоя соответствует толщине диэлектрического слоя SiO2, который обеспечивает такую же емкость конденсатора. Для вычисления teq используют соотношение: teq = ε0εSiO2S/C, где S - площадь и C – емкость конденсатора. В случае одного диэлектрического слоя, например из нитрида кремния teq=tSi3N4(εSiO2/εSi3N4), где tSi3N4 – толщина нитрида кремния, εSiO2 – диэлектрическая проницаемость оксида кремния, εSi3N4 – 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 пробоя, определяется как отношение напряжения пробоя к эквивалентной толщине диэлектрического слоя. Таблица 2. Эквивалентная электрическая прочность Eeq пробоя для двух типов конденсаторов dSi3N4, teq «гладкий» Poly-Si HSG-Si AEF нм эквивалентная Uпробоя, Eeq пробоя, Uпробоя, Eeq пробоя, толщина, нм В МВ/см В МВ/см 8,5 15 23 5,65 11,7 15,1 6,0 12,9 19,5 10,6 11,1 12,9 5,5 12,5 18,3 9,7 10,7 12,1 2,10 1,65 1,39 Конденсаторы на основе пленок HSG-Si по сравнению с конденсаторами с «гладким» электродом из поликристаллического кремния имели немного меньшие значения напряжение пробоя Uпробоя и эквивалентной электрической прочности Eeq пробоя, 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≈9,7÷12,9 МВ/см (таблица 2), что соответствует значениям Eeq прибивных полей в DRAM конденсаторах, где используются диэлектрики на основе нитрида кремния (ONO – окисел-нитрид-окисел, NO–нитрид-окисел, ONONO). 23 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 Sdr. 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 Sdr имеют пленки, полученные при температуре осаждения Td≈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: 24 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), α = 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 АСМизображений: 1) Найдено, из корреляционных функций высота-высота, что показатель шероховатости (показатель Херста) α = 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 w(t), корреляционной длины ξ(t) и длины волны λ(t) от времени осаждения t и найдены скейлинговые коэффициенты β, 1/z, p, характеризующие динамику роста пленки. 3) Найдено, что динамика роста HSG-Si пленки при толщине менее ~70 нм характеризуется скейлинговыми коэффициентами: показатель роста β = 0,19±0,05, динамический показатель 1/z= 0,24±0,04, p= 0,25±0,05, что согласуется с моделью роста за счет 25 поверхностной диффузии. При толщинах пленки 70÷96 нм имеет место увеличение показателя роста (β ≈ 0,66), а затем уменьшение (β < 0,13) при толщинах более 96 нм. 4) Обнаружено, что для HSG-Si пленок выполняется условие динамического скейлинга (1/z ≈ β/α) и, что корреляционная длина ξ(t) и длина волны λ(t) одинаковым образом зависят от времени осаждения. 13. На основе HSG-Si пленок, имеющих максимальную величину относительного приращения площади поверхности Sdr, 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 HSG кремния и установлено, что с ростом толщины диэлектрического слоя Si3N4 происходит уменьшение коэффициента увеличения емкости. 15. Проведено сравнительное изучение электрических характеристик конденсаторов с повышенной емкостью на основе пленок HSG 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 HSG-Si пленок полностью совместим с технологическим маршрутом изготовления изделий, содержащих конденсаторные структуры на основе слоев поликристаллического кремния, и легко встраивается в технологический маршрут изготовления таких изделий. 26 ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. Новак А.В., 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 А.В., Новак В.Р. Шероховатость пленок аморфного, поликристаллического кремния и поликристаллического кремния с полусферическими зернами // Письма в ЖТФ. 2013. Том 39. Выпуск 19. С. 32-40. 4. Novak A.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 А.В. 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 А.В., Новак В.Р. Эволюция морфологии поверхности при росте пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами // Письма в ЖТФ. 2014. Том 40. Выпуск 39. С. 18-26. 7. Новак А.В., 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 А.В. 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 А.В. 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. 27 10. Новак А.В. 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 А.В. 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 А.В. 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 А.В. Изменение морфологии поверхности при росте толщины пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами // Тезисы докладов 21-ой Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2014». М.: МИЭТ. 2014. С. 44. 14. Новак А.В. Изучение эволюции поверхности при росте пленок кремния с полусферическими зернами (HSG-Si) методом атомносиловой микроскопии // Тезисы докладов 25-ой Российской конференции по электронной микроскопии «РКЭМ-2014». Черноголовка: 2014. С. 322 – 323. 28
