Самохвал В. В., Брінкевіч Д. І., Просоловіч В. С., Янковський Ю. Н. Білоруський державний університет пр. Ф. Скарини, 4, Мінськ – 220050, Білорусь Тел: 017-2095051; e-mail: brinkevich @. bsu.by

Анотація – Показана перспективність використання в базовій технології виготовлення НВЧ-приладів кремнію, легованого гольмію. Встановлено, що добавка Але дозволяє знизити щільність поверхневих станів на межі поділу Si-Si02 і, як наслідок, зменшити граничну напругу, ємність і напруга плоских зон, струми витоку МОП-структур.

I. Вступ

Активними елементами СВЧ-інтегральних схем в нижній частині діапазону СВЧ є кремнієві польові та біполярні транзистори, сформовані на монолітних кремнієвих пластинах. При цьому особливу увагу приділено зменшенню паразитних впливів поверхонь розділу та висновків елементів [1]. Метою цієї роботи є вивчення можливості використання в базовій КМОП-технології кремнію, легованого гольмію.

Основна частина

МОП-структури на основі Si: Ho, які є складовими елементами компліментарних МОП-транзисторів, формувалися за стандартною промислової технології в заводських умовах. В якості матеріалу підкладок використовувався кремній марки КЕФ-4, 5. Гольмій вводився в монокристал в процесі вирощування з розплаву за методом Чох-Ральський. Концентрація Але, виміряна методом нейтронно-активаційного аналізу, не перевищувала 2.1015 см ‘3. Діоксид кремнію отримували в двох режимах: 1) окислення в атмосфері сухого кисню з додаванням хлористого водню при температурі 1000 ° С; 2) пірогенний окислення з HCI при 850 ° С. Товщини плівок SiC> 2 варіювалися в межах 20-45 нм. Як матеріал затвора застосовувався полікрістал-металевий кремній, легований фосфором.

Розраховані по нахилу ВАХ питомі опору окисної плівки варіювалися в межах (2,5-4,5) х1015 Ом.см. Суттєвого впливу Але на зазначений параметр виявлено не було. Щільність поверхневих станів (Nss) на кордоні Si-Si02, що визначається за величиною зсуву між теоретичною і експериментальними кривими вольтемкост-них характеристик, була нижчою в зразках, що містять домішки Але. При цьому напруга плоских зон (Ufz) Для структур, створених на основі Si: Ho, була нижчою, ніж в контрольних зразках. Зі збільшенням товщини окисної плівки зростали значення Nss і UfZ. Це зумовлено, по всій видимості, зростанням зарядів в товстих оксидах та їх меншим структурним досконалістю. При цьому у всіх вивчених випадках оксидам, вирощеним у «вологому» кисні відповідають менші значення Nss і UfZ, Що визначається більшою керованістю в даному випадку самого процесу окислення, що дозволяє отримувати більш досконалий оксид.

Іншими важливими характеристиками МОП-транзисторів є величина паразитної ємності, істотно обмежує швидкодію приладів, а також значення порогового напруги активного і паразитного транзисторів. Якщо порогове напруга паразитного транзистора занадто низька, то між п+-Областями сусідніх активних транзисторів може утворюватися інверсний шар, який з’єднає ці області між собою. Для виключення виникнення подпороговой провідності між сусідніми транзисторами, порогове напруги паразитного транзистора має бути дуже високим. Це здійснюють, як правило, або формуванням товстого окисного шару між активними транзисторами, або збільшенням в цьому місці рівня легування підкладки. Проте дані два методи істотно збільшують паразитні ємності МОП-структури, що знижує її напруга пробою [2]. Іншим способом вирішення проблеми може бути зниження порогового напруги активного транзистора, величина якого безпосередньо пов’язана з щільністю поверхневих станів [1]. З цією метою перспективно додаткове легування матеріалу підкладки домішкою рідкоземельного елемента гольмію.

Результати аналізу експериментальних даних для МОП-структур товщиною ~ 40 нм, усереднені за результатами вимірювань по пластині не менш ніж в 10 точках, наведені в таблиці. Нами контролювалися наступні параметри: товщина Si02 – D (А); ємність оксиду – Сох (пФ); ємність плоских зон – CfZ (ПФ); порогове напруга активного транзистора – Uth (В); напругу плоских зон – UfZ(B); щільність поверхневих станів на кордоні Si-Si02 – Nss (См ‘2. ЕВ ‘1). У таблиці наведені також відомості про розкиді основних параметрів МОП-структур по площі зразка (середньоквадратичне відхилення о і розкид параметрів б). З отриманих експериментальних даних випливає, що структури, сформовані на основі Si: Ho, мали більш низькі значення порогового напруги активного транзистора (на 0.1-0.5 В), напруги плоских зон (до 0.4 В), ємності плоских зон (на 40-50 пФ), щільності поверхневих станів на кордоні Si-Si02 (На (0.5-2.4) х1011 см ‘2). Видно, також, що розкид параметрів МОП-структур, виготовлених на пластинах Si: Але, істотно менше ніж для контрольних зразків.

Отримані результати можна пояснити, беручи до уваги геттерірующіе дію лантаноїдів як в розплаві кремнію, так і при подальших термообробка. Як відомо [2], щільність поверхневих станів на межі поділу оксид-напівпровідник безпосередньо пов’язана з концентрацією технологічних домішок в обсязі кремнієвої пластини, оскільки сама межа є ефективним домішковим стоком. У той же час, монокристали Si: Ho містять знижену концентрацію технологічних домішок [3], що зменшує їх щільність на межі розділу Si-Si02 після нарощування оксиду. Крім того, значна частина фонових домішок дифундує в монокристали при проведенні високотемпературних обробок (нарощування оксиду). В цьому випадку атоми гольмію діють як геттер, запобігаючи локалізацію технологічних домішок на кордоні Si-Si02, Що обумовлює зниження на ній щільності поверхневих станів і, як наслідок, поліпшення таких параметрів, як струми витоку структури, напруга і ємність плоских зон, порогове напруга активного транзистора. Слід, крім того, відзначити, що зниження порогового напруги активного транзистора при незмінній величині порогового напруги паразитного транзистора збільшує діапазон робочих напруг інтегральної схеми, що забезпечує більшу стійкість і надійність її роботи.

III.Заключеніе

Таким чином, наведені вище результати вказують на те, що легування Але дозволяє досягти суттєвого поліпшення параметрів МОП-структур, що має важливе значення для оптимізації параметрів СВЧ-транзисторів, що виготовляються за MOSFET планарно-епітаксіальної технології. Зниження кількості пасток поблизу кордону розділу Si-SiC> 2 дозволить зменшити викривлення вихідного сигналу в порівнянні з вхідним, обумовлене залежністю крутизни ВАХ від величини робочого струму при роботі на високих частотах. Зазначені ефекти обумовлені дією атомів гольмію як геттеров для бистродіффундірующіх фонових технологічних домішок в пластинах кремнію.

Таблиця

Параметри МОП-структур

p

3

Е

d,A

Cfz,

пФ

і, В

Ufz, В

Nss,

еВ ‘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-структури виготовлені на стандартному матеріалі (1,2 – контрольні) і на основі Si: Ho (3, 4). Режими окислення: 1, 3 – в атмосфері сухого кисню; 2, 4 – пірогенний окислення.

I. Список літератури

[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] Брінкевіч Д. І., Вабищевич С. А., Просоловіч В. С., Янковський Ю. Н. Рідкоземельні елементи в моно-кристалічному кремнії – Новополоцьк, 2003.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»