МОП-ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ Si:Ho В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ ПРИБОРОВ

May 12, 2012 by admin Комментировать »

Самохвал В. В., Бринкевич Д. И., Просолович В. С., Янковский Ю. Н. Белорусский государственный университет пр. Ф. Скарыны, 4, Минск – 220050, Беларусь Тел: 017-2095051; e-mail: brinkevich@.bsu.by

Аннотация – Показана перспективность использования в базовой технологии изготовления СВЧ-приборов кремния, легированного гольмием. Установлено, что добавка Но позволяет снизить плотность поверхностных состояний на границе раздела Si-Si02 и, как следствие, уменьшить пороговое напряжение, емкость и напряжение плоских зон, токи утечки МОП-структур.

I.  Введение

Активными элементами СВЧ-интегральных схем в нижней части диапазона СВЧ являются кремниевые полевые и биполярные транзисторы, сформированные на монолитных кремниевых пластинах. При этом особое внимание уделено уменьшению паразитных влияний поверхностей раздела и выводов элементов [1]. Целью настоящей работы явилось изучение возможности использования в базовой КМОП-технологии кремния, легированного гольмием.

II.                          Основная часть

МОП-структуры на основе Si:Ho, являющиеся составными элементами комплиментарных МОП- транзисторов, формировались по стандартной промышленной технологии в заводских условиях. В качестве материала подложек использовался кремний марки КЭФ-4,5. Гольмий вводился в монокристалл в процессе выращивания из расплава по методу Чох- ральского. Концентрация Но, измеренная методом нейтронно-активационного анализа, не превышала 2.1015 см’3. Диоксид кремния получали в двух режимах: 1) окисление в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлористого водорода при температуре 1000 °С; 2) пирогенное окисление с HCI при 850 °С. Толщины пленок SiC>2 варьировались в пределах 20-45 нм. В качестве материала затвора применялся поликристал-лический кремний, легированный фосфором.

Рассчитанные по наклону ВАХ удельные сопротивления окисной пленки варьировались в пределах (2,5-4,5)х1015 Ом.см. Существенного влияния Но на указанный параметр обнаружено не было. Плотность поверхностных состояний (Nss) на границе Si-Si02, определяемая по величине сдвига между теоретической и экспериментальными кривыми вольтемкост- ных характеристик, была ниже в образцах, содержащих примесь Но. При этом напряжение плоских зон (Ufz) для структур, созданных на основе Si:Ho, была ниже, чем в контрольных образцах. С увеличением толщины окисной пленки возрастали значения Nss и UfZ. Это обусловлено, по всей видимости, возрастанием зарядов в толстых оксидах и их меньшим структурным совершенством. При этом во всех изученных случаях оксидам, выращенным во «влажном» кислороде соответствуют меньшие значения Nss и UfZ, что определяется большей управляемостью в данном случае самого процесса окисления, позволяющего получать более совершенный оксид.

Другими важными характеристиками МОП- транзисторов являются величина паразитной емкости, существенно ограничивающая быстродействие приборов, а также значения порогового напряжения активного и паразитного транзисторов. Если пороговое напряжение паразитного транзистора слишком низкое, то между п+-областями соседних активных транзисторов может образовываться инверсный слой, который соединит эти области между собой. Для исключения возникновения подпороговой проводимости между соседними транзисторами, пороговое напряжения паразитного транзистора должно быть очень высоким. Это осуществляют, как правило, либо формированием толстого окисного слоя между активными транзисторами, либо увеличением в этом месте уровня легирования подложки. Однако данные два метода существенно увеличивают паразитные емкости МОП-структуры, что снижает ее напряжение пробоя [2]. Другим способом решения проблемы может быть снижение порогового напряжения активного транзистора, величина которого напрямую связана с плотностью поверхностных состояний [1]. С этой целью перспективно дополнительное легирование материала подложки примесью редкоземельного элемента гольмия.

Результаты анализа экспериментальных данных для МОП-структур толщиной ~ 40 нм, усредненные по результатам измерений по пластине не менее чем в 10 точках, приведены в таблице. Нами контролировались следующие параметры: толщина Si02 – d (А); емкость оксида – Сох (пФ); емкость плоских зон – CfZ (пФ); пороговое напряжение активного транзистора – Uth (В); напряжение плоских зон – UfZ(B); плотность поверхностных состояний на границе Si-Si02 – Nss (см’2.эВ’1). В таблице приведены также сведения о разбросе основных параметров МОП-структур по площади образца (среднеквадратичное отклонение о и разброс параметров б). Из полученных экспериментальных данных следует, что структуры, сформированные на основе Si:Ho, имели более низкие значения порогового напряжения активного транзистора (на 0.1-0.5 В), напряжения плоских зон (до 0.4 В), емкости плоских зон (на 40-50 пФ), плотности поверхностных состояний на границе Si-Si02 (на (0.5-2.4)х1011 см’2). Видно, также, что разброс параметров МОП-структур, изготовленных на пластинах Si:Но, существенно меньше чем для контрольных образцов.

Полученные результаты можно объяснить, принимая во внимание геттерирующие действие лантаноидов как в расплаве кремния, так и при последующих термообработках. Как известно [2], плотность поверхностных состояний на границе раздела оксид- полупроводник непосредственно связана с концентрацией технологических примесей в объеме кремниевой пластины, поскольку сама граница является эффективным примесным стоком. В то же время, монокристаллы Si:Ho содержат пониженную концентрацию технологических примесей [3], что уменьшает их плотность на границе раздела Si-Si02 после наращивания оксида. Кроме того, значительная часть фоновых примесей диффундирует в монокристаллы при проведении высокотемпературных обработок (наращивание оксида). В этом случае атомы гольмия действуют как геттеры, предотвращая локализацию технологических примесей на границе Si- Si02, что обуславливает снижение на ней плотности поверхностных состояний и, как следствие, улучшение таких параметров, как токи утечки структуры, напряжение и емкость плоских зон, пороговое напряжение активного транзистора. Следует, кроме того, отметить, что снижение порогового напряжения активного транзистора при неизменной величине порогового напряжения паразитного транзистора увеличивает диапазон рабочих напряжений интегральной схемы, что обеспечивает большую устойчивость и надежность ее работы.

III.Заключение

Таким образом, приведенные выше результаты указывают на то, что легирование Но позволяет достигнуть существенного улучшения параметров МОП- структур, что имеет важное значение для оптимизации параметров СВЧ-транзисторов, изготавливаемых по MOSFET планарно-эпитаксиальной технологии. Снижение количества ловушек вблизи границы раздела Si-SiC>2 позволит уменьшить искажения выходного сигнала по сравнению с входным, обусловленное зависимостью крутизны ВАХ от величины рабочего тока при работе на высоких частотах. Указанные эффекты обусловлены действием атомов гольмия как геттеров для быстродиффундирующих фоновых технологических примесей в пластинах кремния.

Таблица

Параметры МОП-структур

p

3

Э

d,A

Cfz,

пФ

и, в

Ufz, В

Nss,

эВ’1.см’2

X

404

185

-2.06

-1.3

5.0×10"

1

a

7.36

6.91

0.54

0.42

2.2×1011

6,

3.64

7.47

52.43

64.6

88.0

X

387

178

-1.84

-1.1

4.6×10"

2

a

13.8

4.46

0.43

0.33

1.8×1011

6,

7.15

5.01

46.74

60.0

78.2

3

X

416

119

-1.76

-1.04

4.0×10"

Ho

a

5.91

2.45

0.053

0.054

0.27×1011

6,

2.84

4.12

6.02

10.38

13.50

4

X

370

117

-1.53

-0.90

3.7×10"

Ho

a

1.96

2.38

0.032

0.045

0.21×1011

6,

1.06

4.07

4.18

10.0

11.35

MOS-TRANSISTORS ON THE Si:Ho IN THE TECHNOLOGY OF SHF-DEVICES

Samokhval V. V., Brinkevich D. I.,

Prosolovich V. S., Yankovski Yu. N.

Byelorussian State University 4, Pr. F. Skarina, Minsk – 220050, Belarus Tel: 017-2095051, e-mail: brinkevich@bsu.by

Abstract – The SHF-transistor parameters optimization method had been designed. It is shown that holmium doping of silicon can be useful in the technology of SHF-devices. The use of silicon doped by holmium allows improving the characteristics of MOS structures.

I.  Introduction

MOSFET-transistors are active elements of SHF integrated circuits. In the present paper the possibility of the use of silicon doped by holmium impurity in the base MOSFET-technology was studied.

II.  Main part

At present work, the Ho impurity was introduced into the melt in the process of crystal growth by means of Chokhralsky’s method. Its concentration measured by neutron-activated analyses amounted to 2.1015 cm’3 MOS-structures were formed on the obtained wafers.

The presence of REE impurities in the substrate sufficiently affects the characteristics of MOS-structures including the presence of defects of subgate dielectric too. It should be noted that structures formed on the base of Si:REE have lower values of threshold voltage, voltage of the flat zones, capacity of the flat zones, surface state density on the boundary and the effective impurity concentration in the substrate (table). The obtained results could be explained taking into consideration that rare- earth atoms are the getters for technological impurities in silicon monocrystals.

Ill Conclusion

Thus, the obtained experimental results indicate that holmium doping of silicon monocrystals can be useful in the technology of SHF-devices. It is important for the parameters optimization of SHF-transistors produced with using of the MOSFET technology.

МОП-структуры изготовлены на стандартном материале (1,2- контрольные) и на основе Si:Ho (3, 4). Режимы окисления: 1, 3 – в атмосфере сухого кислорода; 2, 4 – пирогенное окисление.

I.       Список литературы

[1]   VLSI technology / Ed. S. M. Sze-N.-Y., 1983.

[2]   Fundamentals of silicon integrated device techology V.1, Oxidation, diffusion and epitaxy / Ed. Burger R. М., Donovan R. P.-N.J., 1967.

[3]   Бринкевич Д. И., Вабищевич С. А., Просолович В. С., Янковский Ю. Н. Редкоземельные элементы в моно- кристаллическом кремнии – Новополоцк, 2003.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты