Введение к работе
Актуальность темы. Повышение степени интеграции, уменьшение размеров элементов интегральных схем (ИС) непосредственно связано с качественным изменением свойств соответствующих активных и пассивных элементов. Для этого требуется решение двух взаимосвязанных задач: поиск новых материалов, способных обеспечить все возрастающие требования к элементам ИС, и совершенствование технологии их формирования.
Данное обстоятельство создало новую ситуацию в микроэлектронике, которая характеризуется тем, что вертикальные размеры активных областей элементов микросхемы становятся соизмеримыми с планарными размерами, т.е. транзисторные структуры элементов микросхем становятся «трехмерными». С другой стороны, резкое уменьшение планарных размеров конструкций элементов привело к возникновению новых проблем, среди которых наиболее важными являются: физические ограничения, связанные с предельно высокими электрическими полями в активных областях ИС; технологические, связанные с флуктуациями легированных примесей и необходимостью выполнения огромного числа малонадежных межсоединений элементов микросхем; схемотехнические, связанные с увеличением энергопотребления и большим разрывом в быстродействии транзисторов сверхбольших ИС (СБИС); ограничения по стойкости СБИС к внешним воздействующим факторам (ВВФ), связанные с соизмеримостью вносимых дефектов с размерами активных областей структур и т.д.
Решение данных проблем связано с совершенствованием технологии формирования и разработкой СБИС с повышенной устойчивостью к ВВФ на основе использования кремний- на- изоляторе (КНИ) - структур.
Разработка на основе КНИ- структур для СБИС с уровнем энергодинамики и стойкости к ВВФ, существенно превышающий аналогичные параметры интегральных схем на основе традиционной элементной базы, является актуальной проблемой.
Применение КНИ- структур позволяет уменьшить влияния паразитных эффектов и повысить надежность изоляции рабочего объема прибора от остальной схемы и подложки, а так же исключает нежелательные эффекты, в частности, устраняет взаимовлияние между элементами схемы и повышает быстродействие приборов, уменьшается потребляемая мощность. Все это позволяет увеличить интегральную плотность элементов.
Недостатком такой структуры является низкое качество границы раздела кремний- изолятор, которое обусловливается рассогласованием кристаллических решеток кремния и подложки. Последнее приводит к генерации дефектов кристаллической решетки, возникновению механических напряжений в эпитаксиальном слое и к ухудшению электрофизических параметров структур.
Среди КНИ- структур существенный объем по различным областям применения занимают структуры кремний на сапфире (КНС). Однако, высокая стоимость сапфирового основания и низкое кристаллографическое совершенство формируемых кремниевых эпитаксиальных пленок являются препятствием для их широкого применения. Одним из выходов в сложившейся ситуации является разработка новых и перспективных технологий, с помощью которых станет возможным формирование совершенных КНИ- структур с требуемым набором структурных и электрофизических параметров.
Настоящая работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой «Электронная Россия» на 2002-2006гг.
Целью работы является исследование возможности оптимизации технологии формирования КНИ- структур для управляемого изменения свойств границы раздела диэлектрик- полупроводник.
Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
разработка способов совершенствования технологии создания КНИ- структур с улучшенными электрофизическими параметрами;
определение механизмов образования дефектности в процессе формирования КНИ- структур;
выявления связи между конструктивно- технологическими особенностями КНИ- структур и их параметрами;
совершенствование и оптимизация конструкции КНИ- структур с целью повышения их радиационной стойкости (РС);
оценка эффективности использования ионной имплантации для управления зарядовым состоянием КНИ- структур и их электрофизическими параметрами.
Методы исследования. В работе использованы метод эллипсометрии, вольт- фарадный, инжекционный, электрографии и электронно- микроскопические методы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
показана возможность применения обработки структур КНИ ионным пучком для управляемого изменения свойств границы раздела диэлектрик- полупроводник и электрофизических параметров приборов на их основе;
установлены общие закономерности воспроизводимого формирования КНИ- структур с заданными электрофизическими параметрами;
исследовано влияние условий формирования КНИ- структур на электрические и структурные свойства границы раздела эпитаксиальная пленка- подложка;
установлена взаимосвязь между конструктивными особенностями КНИ- структур и их параметрами, определены пути оптимизации конструкции;
впервые предложены и защищены патентами России конструктивно- технологические методы снижения дефектности и токов утечки в КНИ- структурах.
Практическая значимость работы:
Установленные теоретические и экспериментальные закономерности поведения свойств границы раздела диэлектрик - полупроводник и параметров КНИ- структур могут быть использованы при разработке новых и оптимизации существующих технологических процессов создания изделий твердотельной электроники с улучшенными характеристиками.
Разработан и предложен для практического применения совмещенный в едином технологическом цикле способ создания полупроводниковых приборов на КНИ- структурах с использованием процессов обработки высокоэнергетичными электронами и ионами бора.
Полученные и систематизированные данные по изучению влияния ионного легирования и облучения на параметры КНИ- структур апробованы и используются в ОАО СКБ «Элькор» при разработке радиационно-стойких интегральных схем и изготовлении маломощных высокочастотных транзисторов с улучшенными электрическими параметрами.
Положения, выносимые на защиту
-
Использование преимущественного проявления одного или совокупности эффектов воздействия ионов низкой энергии, позволяющее обеспечить улучшение параметров границы раздела полупроводник- диэлектрик.
-
Влияние легирования ионами на параметры КНИ- структур и новые технологические маршруты получения полупроводниковых структур, обладающих улучшенными параметрами и повышенной надежностью.
-
Оригинальные технологические решения, включающие радиационно- термический процесс, повышающий надежность приборов на основе КНИ- структур.
-
Конструктивно- технологические варианты исполнения КНИ- структур, обеспечивающие наилучшие сочетания электрических параметров приборов.
-
Взаимосвязь между электрофизическими параметрами и зарядовым состоянием областей КНИ- структур.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов сформулированных в диссертации, подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными литературными, теоретическими и экспериментальными данными, результатами апробирования и внедрения в технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИС.
Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающей полученные лично им результаты, а также в соавторстве с сотрудниками КБГУ и СКБ «Элькор». В цитируемых автором работах ему принадлежит выбор основных направлений и методов решения задач, трактовка и обобщение полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на:
Второй Всероссийской научной internet- конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках», Тамбов, 2001; Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах», ОМА-2002, Сочи, 2002; Российских конференциях по материаловедению и физико- химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, Москва, 2003, 2005; Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», ОДРО- 2003, Сочи, 2003; Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива- 2005; 2006», Нальчик, 2005, 2006; V международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 2005; научных семинарах факультета микроэлектроники и компьютерных технологий КБГУ, Нальчик (2004- 2006гг).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах. По материалам диссертации получены 3 патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 116 наименований.
