ЛЕГИРОВАННЫЕ ГЕРМАНИЕМ ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СЛОИ КРЕМНИЯ ДЛЯ СВЧ-ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

August 7, 2012 by admin Комментировать »

Бринкевич Д. И., Просолович В. С., Янковский О. Н., Янковский Ю. Н. Белорусский государственный университет пр. Ф. Скарыны, 4, Минск 220050, Беларусь Тел: 017-2095051; e-mail: brinkevich(8)_.bsu.bv

Рис. 1.Гистограммы распределения токов утечек р-п-переходов, сформированных на: а КЭФ-4,5; b-е эпи-слоях Fig. 1. Leakage current bar charts of p-n-junotions formed on: a monocrystal; (b-e) NGe epitaxial layers, cm’3: b 0, с 2-1019, d 5-1019, e2-1<f°

Аннотация Представлена методика изготовления СВЧ-приборов по MOSFET-технологии на эпитаксиальных слоях кремния, легированных германием. Показана перспективность использования в базовой технологии изготовления СВЧ-приборов кремния, легированного указанной изовалентной примесью. Установлено, что добавка Ge позволяет существенно снизить величину токов утечки и повысить напряжение пробоя МОП-структур и р-п-переходов, изготовленных по MOSFET-технологии.

I.   Введение

Одна из основных проблем, характерная для КМОП-структур, связана с возможностью возникновения в них нежелательного механизма проводимости, известного под названием «защелкивания» или тиристорного эффекта [1]. Суть его заключается в том, что КМОП-структуры представляют собой тиристорную структуру n-p-n-p-типа, способную срабатывать при инжекции неосновных носителей заряда в базу биполярных транзисторов, составляющих тиристор. Инжекция может возникнуть из-за внутренних или внешних помех на выводах микросхемы, либо при спецвоздействиях.

Эффективным методом подавления «защелкивания» является использование для изготовления приборов эпитаксиальных пленок на низкоомной подложке (обычно КЭС-0.01), которая является шунтом базы. Однако качество эпитаксиальных слоев существенно уступает качеству монокристаллических подложек. Плотность дислокаций в слое обычно превышает плотность дислокаций в подложке. Она возрастает в направлении от поверхности эпитаксиального слоя к границе раздела слоя с подложкой [2]. Кроме того, механические напряжения возникают и при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и эпи-слое. В процессе наращивания эпитаксиального слоя (ЭС) из-за различия в параметрах решетки подложки и слоя возникают напряжения и структура деформируется.

Целью настоящей работы явилось исследование возможности снижения дефектности ЭС посредством введения в них дополнительно изовалентной примеси германия.

II.                           Основная часть

Германий вводился в эпитаксиальные слои в процессе низкотемпературной хлоридной эпитаксии в системе Hh+SiCU+GeCU. Концентрации Ge измерялись методом нейтронно-активационного анализа и варьировались в пределах 3.101 2.1020 см’3. На полученных ЭС по стандартной промышленной технологии в заводских условиях формировались р-ппереходы и МОП-структуры, являющиеся составными элементами комплиментарных МОП-транзисторов. Эпи-слои имели удельное сопротивление от 0.5 до 9.0 Ом.см, толщину 7-15 мкм.

На рис.1 представлены результаты измерения токов утечки р-п-переходов, сформированных на исследуемых структурах. Видно, что использование эпитаксиальных пленок (рис.1Ь) приводит к увеличе-

нию токов утечки примерно в 2 раза по сравнению с р-п-переходами, сформированными на монокристаллах. Легирование ЭС атомами германия позволяет снизить токи утечки и при концентрации Ge примерно 5.0×1019 см’3 (рис. 1 d) гистограмма распределения по величине тока утечки практически повторяет аналогичную гистограмму для пластин без эпи-слоя (рис. 1а). Дальнейший рост концентрации германия (рис.1е) приводит к ухудшению параметров р-пперехода.

Одним из наиболее важных требований, предъявляемых к МОП-структурам является качество формирования окисла, который должен обладать высокой механической и электрической прочностью (устойчивость в электрических полях до 10е В/см), минимальной величиной и высокой стабильностью зарядов как в ЭЮг, так и на границе раздела. На рис.2 представлены результаты исследований влияния Ge на дефектность подзатворного диэлектрика МОП-структур. Плотность дефектов (D) определялась из выражения

где S = 0,2 см2 площадь структуры, Р вероятность того, что структура не пробивается при приложении к ней напряжения U.

При ипр = 10 В плотность дефектов D составляла: 0.33 см’2 для стандартных пластин КЭС-0.01; 1.00 см’2 для специально нелегированных эпитаксиальных пленок и 0.34 см’2 для ЭС, легированных Ge в концентрации 5.0×1019 см’ .

Легирование германием также приводило к увеличению пробивных напряжений МОП-структур, сформированных на эпитаксиальных пленках (рис.З).

Таким образом можно заключить, что дефект-

Рис. 2. Зависимость плотности дефектов D подзатворного диэлектрика от приложенного напряжения для Si-Si02-nonuSi структур, сформированных на монокристаллах КЭФ4,5 (1) и эпи-слоях, легированных германием (2-4)

Fig. 2. Subgate dielectric defectiveness D vs applied voltage for Si-Si02-polySi structures formed on monocrystal (1) and epitaxial layers (2-4) doped with germanium Afce, cm’3: 2-0, 3-2-1019, 4-5-1019.

ность легированных германием эпитаксиальных пленок, сформированных на подложках КЭС-0.01, при NGe ~ (2-5). 1019 см’3 существенно не отличается от

Рис. 3. Гистограммы распределения напряжений пробоя Si -З/’Ог-полиЗ/’ структур, сформированных на: а КЭФ4.5; b и с эпитаксиальных слоях

Fig. 3. Breakdown voltage bar charts of Si-SiC>2-polySi structures formed on: (a) monocrystal; (b-e) epitaxial layers NGe, cm’3: b-0, с-2-1019.

дефектности монокристаллов. Кроме того, дополнительное легирование эпи-слоя изовалентной примесью Ge позволило снизить величину токов утечки практически до значений, соответствующих р-ппереходам, сформированным на монокристаллических подложках без эпи-слоя. Дальнейшее увеличение концентрации германия до величин ~ 1.1020 см’3 приводило к возрастанию дефектности эпитаксиальных пленок и р-п-переходов.

Полученные результаты можно объяснить учитывая, что основной легирующей примесью в исследуемых подложках КЭС-0.01 являлась сурьма в концентрации ~ 6.1018см’3. Ковалентный радиус атомов германия, также как и сурьмы, больше, чем у кремния. Поэтому легирование эпитаксиальных пленок германием позволяет уменьшить степень несоответствия параметров решеток подложки и эпитаксиального слоя. Это, в свою очередь, приводит к снижению плотности дислокаций несоответствия и уменьшению напряжений на границе раздела подложка эпитаксиальный слой, что обуславливает снижение токов утечек и пробивных напряжений МОП-структур, формируемых на эпитаксиальном слое. Кроме того, легирование германием приводит к увеличению полей пробоя Si02:Ge на 10-15% и подавлению явления деградации оксида в сильных электрических полях [3].

Оптимальной концентрацией германия для согласования параметров решеток монокристаллической подложки КЭС-0.01 и эпитаксиального слоя яв-

19 3

ляется NGe ~ (2-5)х10 см’ . Легирование германием в более высоких концентрациях приводит к увеличению периода решетки эпи-слоя по сравнению с подложкой, что вновь вызывает формирование дислокаций несоответствия и ухудшает эксплуатационные параметры создаваемых приборов.

I.    Заключение

Таким образом приведенные выше результаты указывают на то, что введение германия в эпитаксиальные пленки в процессе газофазной эпитаксии с последующим формированием на них р-п-переходов и МОП-структур позволяет повысить их эксплуатационные параметры. Дефектность диэлектрика и напряжение пробоя МОП-структур, изготовленных на легированных Ge эпитаксиальных слоях, практически не отличаются от аналогичных параметров структур, сформированных на стандартных монокристаллических подложках. Легирование эпитаксиальных пленок германием позволяет также снизить величину токов утечки р-п-переходов до значений, характерных для приборов, созданных на монокристаллических подложках.

Указанные эффекты обусловлены тем, что введение Ge в эпитаксиальный слой позволяет уменьшить степень несоответствия параметров решетки монокристалла и эпитаксиальной пленки, что приводит к снижению плотности дислокаций несоответствия и уменьшению напряжений на границе раздела подложка эпитаксиальный слой.

II.   Список литературы

[1 ] Технология СБИС. Ч.2./ Под ред. С. Зи М.: Мир, 1986.

[2] Корзо В. Ф., Черняев В. Н. Диэлектрические пленки в микроэлектронике. М.: Энергия, 1977 -367 с.

[3] Бринкевич Д. И., Просолович В. С., Янковский Ю. Н. Особенности захвата на ловушки и рассеяния носителей заряда в окислах на основе Si:Ge. Микроэлектроника,

2002,               т. 31, № 4, с. 299-302.

GERMANIUM-DOPED EPITAXIAL SILICON LAYERS FOR SHF ICs

Brinkevich D. I., Prosolovich V. S., Yankovski O. N., Yankovski Yu. N.

Belarussian State University 4 Prospekt F. Skoriny, Minsk, Belarus, 220050 phone: (17)2095051 e-mail: brinkevich@bsu.by

Abstract It is shown that Ge-doping of silicon may be implemented in the technology of the SHF IC manufacture. Epitaxial layers doped with germanium allow for the leakage current to be decreased and for the breakdown voltage of p-njunctions and MOS structures produced by the MOSFET process to be increased.

I.  Introduction

One of the main problems typical for CMOS structures is related to possible emergence in them of a conductivity mechanism known as the ‘latch-up’ effect. An efficient way to eliminate the latch-up effect is to use heavily-doped monocrystal substrates-based epitaxial layers in the IC production [1]. However, the quality of epitaxial layers is inferior compared to that of monocrystal substrates.

The present paper studies the possibility of decreasing defectiveness of epitaxial layers by the Ge-doping.

II.  Main part

A germanium impurity was introduced into epitaxial layers (ELs) during the process of a low-temperature chloride epitaxy in the H2+SiCI4+GeCI4 system. Germanium concentrations measured by neutron-activated analyses amounted to 3-10182-102°cm’3. MOS structures and p-n-junctions were formed on the obtained epitaxial layers.

The doping of ELs by germanium at NGe~5-1019cm’3 allowed for leakage currents to be decreased almost to the levels of p-njunctions formed on crystal substrates without epitaxial layers (Fig. 1a,d).

The results of investigating the effects of germanium on the defectiveness in subgate dielectrics are shown in Fig. 2. The defects density (D) was determined from the following expression:

D(Ubd) = (In P) / S , (cm’2),

where S is the area of the structure; P the possibility of the structure not breaking down if the voltage Ubd is applied to it.

The available experimental results show that the defectiveness of the ELs formed on the Ge-doped substrates was three times less compared to Ge-free samples.

Ge-doping of ELs also allowed for the breakdown voltage of Si-Si02-polySi structures formed on epitaxial layers (Fig. 3) to be increased.

These results may be explained by antimony being the principal impurity in the substrates at the concentrations of ~6-1018cm’3 The covalent radii of Ge and Sb atoms are larger compared to that of Si. This explains the improvements in epitaxial layers after the Ge-doping. The optimal Ge concentration is NGe~5-1019cm’3.

Ill Conclusion

The above results indicate that germanium doping of silicon in the process of low-temperature chloride epitaxy in the H2+SiCI4+GeCI4 system may be useful in manufacturing SHF ICs. It is important for the parameters optimization of SHFdevices produced by the MOSFET technology.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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