Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > Требования к статьям > Порядок рецензирования статей > Ретракция статей > Этические принципы > Правовая информация > Редакционный совет > Редакция > Аннотация журнала
Журналы индексируются
Реквизиты журнала
Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Влияние технологических факторов на дефектность структур кремний на сапфире
Мустафаев Гасан Абакарович

доктор технических наук

профессор, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф. 122

Mustafaev Gasan Abakarovich

Doctor of Technical Science

Professor at Kabardino-Balkarian State University

360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122

zoone@mail.ru
Панченко Валерий Александрович

кандидат технических наук

доцент, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф. 122

Panchenko Valerii Aleksandrovich

PhD in Technical Science

Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University

360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122

Panchenko@mail.cos
Черкесова Наталья Васильевна

кандидат технических наук

доцент, ФГБОУ ВО "Кабардино-Балкарский государственный университет"

360004, Россия, Республика Кабардино-Балкарская, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, оф. 122

Cherkesova Natal'ya Vasil'evna

PhD in Technical Science

Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University

360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122

natasha07_2002@mail.ru
Мустафаев Арслан Гасанович

доктор технических наук

профессор, ГАОУ ВО "Дагестанский государственный университет народного хозяйства"

367015, Россия, Республика Дагестан, г. Махачкала, ул. Атаева, 5, каб. 4.5

Mustafaev Arslan Gasanovich

Doctor of Technical Science

Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy

367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5

arslan_mustafaev@hotmail.com
Аннотация. Структуры кремний на сапфире являются основой для производства радиационно-стойких интегральных схем, что в первую очередь важно для космической промышленности, атомной энергетики и военного применения. В работе проведено исследование механизма гетероэпитаксии кремния на сапфире, для последующего создания транзисторных структур с низкой дефектностью. Методом резерфордовского обратного рассеяния изучены эпитаксиальные слои кремния выращенные на сапфировой подложке. При помощи Оже анализа определен состав и глубина переходного слоя кремний-сапфир. Определено, что связь между кремнием и сапфиром осуществляется через тетраэдрически координированный кислород. В эпитаксиальных слоях наблюдается увеличение дефектности в тех областях спектра, которые соответствуют промежуточной области между слоем кремния и сапфировой подложкой, и дают максимальный вклад в каналирование ионов. Учет неупорядоченного характера строения перехода кремний-сапфир позволяет установить причинную связь между зарядом на границе в структуре кремний на сапфире и током утечки полевого транзистора. Разработан способ создания полупроводникового прибора с улучшенными параметрами как по токам утечки так и по плотности структурных дефектов.
Ключевые слова: кремний на сапфире, подложка, ток утечки, кристаллическая решетка, плотность дефектов, механические напряжения, ионное внедрение, гетероэпитаксия, Оже анализ, обратное рассеяние
DOI: 10.7256/2453-8884.2017.1.22388
Дата направления в редакцию: 31-03-2017

Дата публикации: 08-04-2017

Abstract. Silicon-on-sapphire structures serve as a base for the production of radiation-resistant integration circuits, which are very important for space industry, nuclear energetics, and the military sphere. The authors study the silicon-on-sapphire hetero-epitaxial mechanism for the subsequent creation of low-defectiveness transistor structures. Using the Rutherford backscattering, the authors study epitaxial layers of silicon, grown on sapphire substrate. Using the Auger analysis, the authors define the composition and the depth of the transitional layer of silicon-sapphire. The authors ascertain that silicon-to-sapphire bond is performed through tetrahedral sited oxygen. Defectiveness growth can be observed in the regions of spectrum of epitaxial layers, corresponding to the transitional region between the silicon layer and the sapphire substrate, and contributing to ion channeling. Account of an irregular character of the silicon-sapphire transition allows establishing causal link between the charge on the silicon-on-sapphire structure border and leakage current of field emission transistor. The authors develop the method of creation of a semiconductor device with improved parameters both in leakage currents and in structure defects density. 

Keywords: heteroepitaxy, ion implantation, mechanical tension, defect density, crystalline lattice, leakage current, substrate, silicon-on-sapphire, Auger analysis, Rutherford backscattering

Технология кремний на сапфире (КНС) является одной из перспективных для изготовления высокочастотных интегральных схем (ИС) с повышенной плотностью упаковки. Сапфировая подложка имеет много технологических преимуществ: высокая твердость, отличные изолирующие свойства и высокая теплопроводность, прозрачность в ультрафиолетовом диапазоне [1]. Из-за снижения паразитных емкостей повышается быстродействие элементов, а отсутствие необходимости в дополнительной изоляции элементов друг от друга, позволяет увеличить степень интеграции элементов. Диэлектрическая подложка позволяет практически исключить токи утечки приборов и снизить энергопотребление.

В силу различий параметров кристаллических решёток подложки (сапфир) и осаждаемого материала (кремний), в приграничной к границе раздела области кремния создаются большие напряжения, а различие коэффициентов теплового расширения делает эти напряжения еще больше [2].

В работах [3, 4] показана возможность снижения плотности дефектов упаковки с помощью ионного внедрения, аморфизирующего кремниевый слой, и многоэтапных высокотемпературных отжигов. Вместе с тем не оптимизированы параметры процессов ионного внедрения и отжига, в частности выбора оптимальной энергии внедрения [5].

Определение механизма гетероэпитаксии кремния на сапфире яв­ляется необходимым условием создания интегральных схем на этой изо­лирующей подложке [6]. Известно, что при обычном химическом осаждении кремния из паровой фазы на сапфировую подложку между Si и Al2O3 образуется промежуточный слой, благодаря чему становится возможным сопряжение по решетке выращенного материала с подложкой [7]. Структура промежуточного слоя является алюминосиликатной Al2SiO5 что означает образование допол­нительных Si-О и новых Аl-О связей. Толщина промежуточного слоя определяется условиями химического осаждения. При многолучевом изображении решетки в просвечивающем электронном микроскопе над промежуточным слоем в пленке Si наблюдаются дефекты упаковки, микродвойники, дислокации, упругие напряжения [8]. Из кристаллографических принципов следует ожидать, что для успешной гетероэпитаксии между напыляемым материалом и подложкой должно быть:

· подобие их симметрии, координации и типа связи;

· сопряжение по решёточным параметрам.

КНС-структура не соответствует этим принципам, хотя слои кремния (100) успешно выращиваются на плоскостях сапфира (1012), (1124), (0001) и (1120). Предполагается, что связь между кремнием и сапфиром осуществляется через тетраэдрически координированный кислород. Даже при слабом травлении сапфира на его поверхности можно обнаружить кислород, связанный в [SiO4] и [AlO4] тетраэдры или подобные конфигурации. Длина связей О-О в этих тетраэдрах подобна аналогичной длине связей в объеме Al2O3. Благодаря специфическим свойствам таких тетраэдров - возможность вращательного движения тетраэдра как целого, варьирование длины связей и углов между ними, замещаемость катионов (Al- Si) становится реальным подогнать параметры решетки между кремнием и сапфировой подложкой.

С помощью обратного рассеяния ионов Не+ с энергией 1.4 МэВ анализировались эпитаксиальные слои Si на сапфировой подложке Al2O3, особенно в области, граничащей с подложкой. Кремний выращивался методом химического осаждения из паровой фазы (пиролизом SiH4/H2) в два этапа: в течение нескольких секунд с высокой скоростью осаждения, а затем со скоростью 0.3 мкм/мин при 1000 °С. Этим достигалась очень малая толщина промежуточного слоя, доступного для исследования в просвечивающем электроном микроскопе. Изучалась функция деканалирования A(d):

по которой, согласно модели деканалирования ионов, можно оценить концентрационный профиль распределения дефектов по глубине при условии известной информации о типе дефектов. Величина cmin определяется из соотношения:

которое связывает спектральные характеристики обратного рассеяния первичных ионов Не+ падающих в произвольном Yrandom и в каналированном Y[100] вдоль оси [100] направлениях. cmin- минимальное значение для недеформированного кремния (100). Эпитаксиальные слои последовательно утоньшались при помощи анодного окисления и химического травления оксида с регистрацией изменений A(d).

Рис. 1. Спектр обратного рассеяния ионов He+ КНС-структуры (1012) при различных толщинах пленки кремния

На рис. 1 представлен спектр обратного рассеяния ионов Не+ для эпитаксиальных слоев кремния (100) различной толщины: dSi= 0.2, 0.3 и 0.9 мкм соответствуют спектры 1, 2 и 3 для произвольного падения ионов Не+ и спектры 1', 2' и 3' для каналированных ионов. Из сравнения спектров каналированных ионов Не+: для эпитаксиальных слоев и монокристаллического кремния следует, что в эпитаксиальных слоях присутствует достаточно много дефектов решетки. Заметен резкий подъем в тех областях спектра обратного рассеяния, которые соответствуют промежуточной области между слоем и подложкой. Очевидно, что имен­но в этой области локализованы дефекты, которые дают максимальный вклад в каналирование падающих ионов He+.

Рис. 2. Спектры обратного рассеяния при произвольном падении ио­нов Не+ для КНС (измеренный (·) и рассчитанный (-))

На рис. 2 показаны измеренный и рассчитанный спектры обратного рассеяния при произвольном падении ио­нов Не+ для эпитаксиального слоя кремния толщиной 0.18 мкм на сап­фире. Незначительные расхождения могут быть объяснены тем, что при расчете не учитывалось среднеквадратичное отклонение в спектре энергетических потерь для падающих ионов Не+. Из хорошего совпа­дения измеренного и рассчитанного спектров следует, что можно оце­нить только предельную толщину возможного промежуточного слоя, значение которой определяется разрешением детектора (~15 кэВ) и должно быть меньше 0.03 мкм. Тем не менее, этот слой, содержащий атомы алюминия, кремния и кислорода, оказывает значительный эффект на форму спектра обрат­ного рассеяния.

На рис. 3 представлены результаты Оже-анализа структуры КНС n-типа с толщиной слоя кремния 0.5 мкм. Между эпитаксиальным сло­ем кремния и сапфировой подложкой хорошо выявляется переходный слой. Оценка толщины этого слоя по времени ионного травления дает величину порядка десяти нанометров, а анализ его со­става допускает предположение об аморфной природе всего переходно­го слоя или его части.

Рис. 3. Распределение основных компонентов структуры КНС в зависимости от времени ионного травления.

Переход кремний-сапфир представляет собой область переменного состава – со структурой мозаичного монокристалла, толщиной 10 нм и более, включающую кремний и алюмосиликатные соединения.

Переходная область, образующаяся в результате наращивания на поверхности сапфира эпитаксиального кремниевого слоя, состоит преимущественно из алюмосиликатов и представляет в целом сильно неупорядоченную систему со значительным содержанием аморфной фазы. Наряду с алюмосиликатами в составе переходной области присутствует кремний, вероятно, в виде мозаичных кристаллов или (и) поликристаллов. Известно [9], что материал с таким неупорядоченным строением обладает высокой плотностью локализованных состояний, энергетически расположенных в зазоре подвижности, ширина которого, как следует полагать, значительно больше ширины запрещенной зоны эпитаксиального кремния. Плотность и энергетическое распределение локализованных состояний непосредственно связаны со структурой и должны сильно зависеть от технологических особенностей формирования переходной области. Важно подчеркнуть, что наличие между кремнием и сапфиром прослойки широкозонного материала с высокой плотностью локализованных состояний оказывает сильное влияние на электрофизические процессы в структурах КНС. Так, перераспределение носителей заряда между локализованными состояниями и зонами в кремнии при термодинамическом равновесии приводит к появлению в кремнии области пространственного заряда (ОПЗ), эквивалентной наличию на границе раздела сосредоточенного заряда. Такое представление о природе заряда на границе кремний-сапфир хорошо согласуется с результатами работ по исследованию влияния технологических факторов на характеристики границы раздела [10, 11].

В случае полевого транзистора на КНС неупорядоченная прослойка создает дополнительный канал утечки между стоком и истоком. Преобладающий механизм прохождения тока в такой системе связан с инжекцией носителей заряда из контактных областей и их переносом с участием ловушек в объеме, в качестве которых выступают локализованные состояния. Проводимость канала зависит от плотности локализованных состояний в переходной области, так и инжекционных характеристик контакта и по этим причинам может сильно различаться для контактов n- и p- типов. Проводимость канала в режиме ОПЗ изменяется от степенной в области малых полей к экспоненциальной при больших полях (104 В/см) вследствие эффекта Пула- Френкеля.

Таким образом, учет неупорядоченного характера строения перехода кремний-сапфир устанавливает причинную связь между зарядом на границе в структуре КНС и током утечки полевого транзистора и позволяет с единых позиций объяснить совокупность экспериментальных фактов, относящихся к этим вопросам [12].

Для снижения токов утечки, уменьшения напряжений в КНС-структурах и улучшения параметров приборов разработан способ создания полупроводникового прибора [13, 14], основанный на формировании изолирующей подложки под слоем кремниевой пленки слоя диоксида кремния со скоростью осаждения 0.02 мкм/мин, толщиной 0.2- 0.4 мкм при температуре подложки 700-1080 °С. При этом на границе раздела кремниевая пленка- изолирующая подложка происходит снижение плотности структурных дефектов из-за уменьшения несоответствия решеток. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры МДП-структур различных конструкций

Cформированная на кремниевой пленке выращенной на подложке Al2O3

Сформированная на кремниевой пленке выращенной на SiO2, поверх Al2O3

Ток утечки

Iут×1011, А

плотность

дефектов N×103, см-2

подвижность носителей см2/В×с

ток утечки

Iут×1011, А

плотность

дефектов N×103, см-2

подвижность носителей см2/В×с

2.1

3.6

550

0.15

0.7

800

3.5

4.8

505

0.2

0.9

755

1.8

3.1

560

0.11

0.6

810

2.4

3.9

530

0.15

0.7

790

3.2

4.5

510

0.17

0.9

780

1.1

2.7

600

0.1

0.5

900

2.3

3.8

535

0.14

0.7

795

3.7

4.9

505

0.22

0.9

760

4.8

6.2

490

0.25

0.95

748

1.5

2.9

580

0.1

0.4

870

3.9

5.1

515

0.21

0.8

785

5.2

6.5

480

0.27

1.0

740

6.3

7.8

460

0.3

1.2

728

4.1

5.3

500

0.19

0.9

750

7.3

8.8

450

0.35

1.3

720

5.4

6.7

475

0.29

1.1

735

Из табл. 1 видно, что предложенная конструкция обеспечивает создание полупроводникового прибора с улучшенными параметрами. Способ изготовления полупроводникового прибора защищен патентом РФ [15].

Библиография
1.
Colinge J.P. Thin film SOI technology: the solution for many submicron CMOS problems // IEEE International Electron Devices Meeting, 1989, p. 817-820.
2.
Курносов, А. И. Юдин, В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем // М: Высшая школа, 1986. – 368 с.
3.
Nakamura T., Matsuhashi H., Nagatomo Y. Silicon on sapphire (SOS) device technology // Oki Technical Rev., 2004, vol. 71, no. 4, pp. 66–69.
4.
Wang Q., Zan Y., Wang J., Yu Y. // Materials Science and Engineering. B. 1995. Vol. 29. pp. 43–46.
5.
Воротынцев В.М., Шолобов Е.Л., Герасимов В.А. // ФТП. 2011. Т. 45 (12). С. 1662
6.
Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев А.Г. Исследование гетероэпитаксии кремния на сапфире при создании транзисторных структур Нано- и микросистемная техника. 2011. № 8. С. 41-43.
7.
Мустафаев А.Г., Савинова А.М., Мирзаева П.М. Управление технологическим процессом формирования структур интегральных элементов Нано- и микросистемная техника. 2012. № 3. С. 20-23.
8.
Мустафаев Г.А., Мустафаев А.Г. Радиационная стойкость к накопленной дозе ионизирующего излучения Нано- и микросистемная техника. 2007. № 12. С. 47-49.
9.
Burgener M.L., Reedy R.E. Minimum Charge FET Fabricated on an Ultrathin Silicon on a Sapphire Wafer. US Patent №5416043, 1995.
10.
Nagatomo Y., Reedy R.E. Latest Trends of SOS (Silicon on Sapphire) Technology. Denshi Zairyo, Vol. 42, No. 5, 2003.
11.
Johnson R.A., de la Houssaye P.R., Chang C.E., Chen P. et al. Advanced Thin-Film Silicon-on-Sapphire Technology: Microwave Circuit Applications // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 45, №5, 1998. pp. 1047-1054.
12.
Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г., Панченко В.А. Полевые транзисторы с двухслойным диэлектриком затвора В сборнике: Микро- и нанотехнологии в электронике Материалы VII Международной научно-технической конференции. Редакционная коллегия: А. М. Кармоков, О. А. Молоканов. 2015. С. 304-306.
13.
Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г., Панченко В.А. Влияние технологии изготовления p-nперехода на токи утечки В сборнике: Микро- и нанотехнологии в электронике Материалы VII Международной научно-технической конференции. Редакционная коллегия: А. М. Кармоков, О. А. Молоканов. 2015. С. 246-248.
14.
Мустафаев Г.А., Черкесова Н.В., Мустафаев А.Г. Моделирование технологического процесса осаждения диэлектриков В сборнике: ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ, ОБРАЗОВАНИИ И БИЗНЕСЕ Сборник материалов IV международной научно-практической конференции. ГАОУ ВПО "Дагестанский государственный институт народного хозяйства". 2016. С. 289-291.
15.
Мустафаев А.Г., Кармоков А.М., Мустафаев А.Г., Мустафаев Г.А. Способ изготовления полупроводниковой структуры. Патент РФ №2292607. М., 2007.
References (transliterated)
1.
Colinge J.P. Thin film SOI technology: the solution for many submicron CMOS problems // IEEE International Electron Devices Meeting, 1989, p. 817-820.
2.
Kurnosov, A. I. Yudin, V.V. Tekhnologiya proizvodstva poluprovodnikovykh priborov i integral'nykh mikroskhem // M: Vysshaya shkola, 1986. – 368 s.
3.
Nakamura T., Matsuhashi H., Nagatomo Y. Silicon on sapphire (SOS) device technology // Oki Technical Rev., 2004, vol. 71, no. 4, pp. 66–69.
4.
Wang Q., Zan Y., Wang J., Yu Y. // Materials Science and Engineering. B. 1995. Vol. 29. pp. 43–46.
5.
Vorotyntsev V.M., Sholobov E.L., Gerasimov V.A. // FTP. 2011. T. 45 (12). S. 1662
6.
Mustafaev A.G., Mustafaev G.A., Mustafaev A.G. Issledovanie geteroepitaksii kremniya na sapfire pri sozdanii tranzistornykh struktur Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2011. № 8. S. 41-43.
7.
Mustafaev A.G., Savinova A.M., Mirzaeva P.M. Upravlenie tekhnologicheskim protsessom formirovaniya struktur integral'nykh elementov Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2012. № 3. S. 20-23.
8.
Mustafaev G.A., Mustafaev A.G. Radiatsionnaya stoikost' k nakoplennoi doze ioniziruyushchego izlucheniya Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2007. № 12. S. 47-49.
9.
Burgener M.L., Reedy R.E. Minimum Charge FET Fabricated on an Ultrathin Silicon on a Sapphire Wafer. US Patent №5416043, 1995.
10.
Nagatomo Y., Reedy R.E. Latest Trends of SOS (Silicon on Sapphire) Technology. Denshi Zairyo, Vol. 42, No. 5, 2003.
11.
Johnson R.A., de la Houssaye P.R., Chang C.E., Chen P. et al. Advanced Thin-Film Silicon-on-Sapphire Technology: Microwave Circuit Applications // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 45, №5, 1998. pp. 1047-1054.
12.
Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G., Panchenko V.A. Polevye tranzistory s dvukhsloinym dielektrikom zatvora V sbornike: Mikro- i nanotekhnologii v elektronike Materialy VII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Redaktsionnaya kollegiya: A. M. Karmokov, O. A. Molokanov. 2015. S. 304-306.
13.
Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G., Panchenko V.A. Vliyanie tekhnologii izgotovleniya p-nperekhoda na toki utechki V sbornike: Mikro- i nanotekhnologii v elektronike Materialy VII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Redaktsionnaya kollegiya: A. M. Karmokov, O. A. Molokanov. 2015. S. 246-248.
14.
Mustafaev G.A., Cherkesova N.V., Mustafaev A.G. Modelirovanie tekhnologicheskogo protsessa osazhdeniya dielektrikov V sbornike: INFORMATsIONNYE TEKhNOLOGII V NAUKE, OBRAZOVANII I BIZNESE Sbornik materialov IV mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. GAOU VPO "Dagestanskii gosudarstvennyi institut narodnogo khozyaistva". 2016. S. 289-291.
15.
Mustafaev A.G., Karmokov A.M., Mustafaev A.G., Mustafaev G.A. Sposob izgotovleniya poluprovodnikovoi struktury. Patent RF №2292607. M., 2007.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи

Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"