Брінкевіч Д. І., Просоловіч В. С., Янковський О. Н., Янковський Ю. Н. Білоруський державний університет пр. Ф. Скарини, 4, Мінськ 220050, Білорусь Тел: 017-2095051; e-mail: brinkevich ( 8) _.bsu.bv

Рис. 1.Гістограмми розподілу струмів витоків р-п-переходів, сформованих на: а КЕФ-4, 5; b-е епі-шарах Fig. 1. Leakage current bar charts of pn-junotions formed on: a monocrystal; (be) NGe epitaxial layers, cm’3: B 0, з 2-1019, d 5-1019, e2-1<f°

Анотація Представлена ​​методика виготовлення НВЧ-приладів по MOSFET-технології на епітаксійних шарах кремнію, легованих германієм. Показана перспективність використання в базовій технології виготовлення СВЧ-приладів кремнію, легованого зазначеної ізовалентною домішкою. Встановлено, що добавка Ge дозволяє істотно знизити величину струмів витоку і підвищити напругу пробою МОП-структур і р-п-переходів, виготовлених за MOSFET-технології.

I. Вступ

Одна з основних проблем, характерна для КМОП-структур, пов’язана з можливістю виникнення в них небажаного механізму провідності, відомого під назвою «замикання» або тиристорного ефекту [1]. Суть його полягає в тому, що КМОП-структури представляють собою тиристорну структуру npnp-типу, здатну спрацьовувати при інжекції неосновних носіїв заряду в базу біполярних транзисторів, складових тиристор. Інжекція може виникнути через внутрішні або зовнішніх перешкод на висновках мікросхеми, або при спецвоздействіях.

Ефективним методом придушення «замикання» є використання для виготовлення приладів епітаксійних плівок на низкоомной підкладці (зазвичай КЕС-0.01), яка є шунтом бази. Проте якість епітаксійних шарів істотно поступається якості монокристалічних підкладок. Щільність дислокацій в шарі зазвичай перевищує щільність дислокацій в підкладці. Вона зростає в напрямку від поверхні епітаксійного шару до межі розділу шару з підкладкою [2]. Крім того, механічні напруги виникають і при значному розходженні в змісті легуючої домішки в підкладці і епі-шарі. В процесі нарощування епітаксійного шару (ЕС) через відмінності в параметрах решітки підкладки і шару виникають напруги і структура деформується.

Метою цієї роботи є дослідження можливості зниження дефектності ЕС за допомогою введення в них додатково ізовалентною домішки германію.

Основна частина

Германій вводився в епітаксіальні шари в процесі низькотемпературної хлоридної епітаксії в системі Hh + SiCU + GeCU. Концентрації Ge вимірювалися методом нейтронно-активаційного аналізу та варіювалися в межах 3.101 2.1020 см ‘3. На отриманих ЕС за стандартною промислової технології в заводських умовах формувалися р-ппереходи і МОП-структури, які є складовими елементами компліментарних МОП-транзисторів. Епі-шари мали питомий опір від 0.5 до 9.0 Ом.см, товщину 7-15 мкм.

На рис.1 представлені результати виміру струмів витоку р-п-переходів, сформованих на досліджуваних структурах. Видно, що використання епітаксійних плівок (рис.1) призводить до збільшен-

нію струмів витоку приблизно в 2 рази в порівнянні з р-п-переходами, сформованими на монокристалах. Легування ЕС атомами германію дозволяє знизити струми витоку і при концентрації Ge приблизно 5.0×1019 см ‘3 (Рис. 1 d) гістограма розподілу за величиною струму витоку практично повторює аналогічну гістограму для пластин без епі-шару (рис. 1а). Подальше зростання концентрації германію (рис.1) призводить до погіршення параметрів р-пперехода.

Одним з найбільш важливих вимог, що пред’являються до МОП-структурам є якість формування оксиду, який повинен володіти високою механічною і електричною міцністю (стійкість в електричних полях до 10е В / см), мінімальною величиною і високою стабільністю зарядів як в ЕЮг, так і на межі розділу. На рис.2 представлені результати досліджень впливу Ge на дефектність подзатворного діелектрика МОП-структур. Щільність дефектів (D) визначалася з виразу

де S = 0,2 см2 площа структури, Р ймовірність того, що структура не пробивається при додатку до неї напруги U.

При іпр = 10 В щільність дефектів D становила: 0.33 см ‘2 для стандартних пластин КЕС-0.01; 1.00 см ‘2 для спеціально нелегованих епітаксійних плівок і 0.34 см ‘2 для ЕС, легованих Ge в концентрації 5.0×1019 см ‘.

Легування германієм також призводило до збільшення пробивних напруг МОП-структур, сформованих на епітаксійних плівках (ріс.З).

Таким чином можна зробити висновок, що дефект-

Рис. 2. Залежність щільності дефектів D подзатворного діелектрика від прикладеної напруги для Si-Si02-nonuSi структур, сформованих на монокристалах КЕФ4, 5 (1) і епі-шарах, легованих германієм (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.

ність легованих германієм епітаксійних плівок, сформованих на підкладках КЕС-0.01, при NGe ~ (2-5). 1019 см ‘3 суттєво не відрізняється від

Рис. 3. Гістограми розподілу напружень пробою Si-З / ‘Ог-полізім /’ структур, сформованих на: а КЕФ4.5; b і з епітаксійних шарах

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.

дефектності монокристалів. Крім того, додаткове легування епі-шару ізовалентною домішкою Ge дозволило знизити величину струмів витоку практично до значень, відповідних р-ппереходам, сформованим на монокристалічних підкладках без епі-шару. Подальше збільшення концентрації германію до величин ~ 1.1020 см ‘3 приводило до зростання дефектності епітаксійних плівок і р-п-переходів.

Отримані результати можна пояснити враховуючи, що основний легуючої домішкою в досліджуваних підкладках КЕС-0.01 була сурма в концентрації ~ 6.1018см ‘3. Ковалентний радіус атомів германію, також як і сурми, більше, ніж у кремнію. Тому легування епітаксійних плівок германієм дозволяє зменшити ступінь невідповідності параметрів решіток підкладки і епітаксійного шару. Це, в свою чергу, призводить до зниження щільності дислокацій невідповідності та зменшення напружень на межі розділу підкладка епітаксійний шар, що обумовлює зниження струмів витоків і пробивних напруг МОП-структур, які формуються на епітаксиальні шарі. Крім того, легування германієм призводить до збільшення полів пробою Si02: Ge на 10-15% і придушення явища деградації оксиду в сильних електричних полях [3].

Оптимальною концентрацією германію для узгодження параметрів решіток монокристаллической підкладки КЕС-0.01 і епітаксійного шару яв-

19 3

ляется NGe ~ (2-5) х10 см ‘. Легування германієм в більш високих концентраціях призводить до збільшення періоду решітки епі-шару в порівнянні з підкладкою, що знову викликає формування дислокацій невідповідності і погіршує експлуатаційні параметри створюваних приладів.

I. Висновок

Таким чином наведені вище результати вказують на те, що введення германію в епітаксіальні плівки в процесі газофазної епітаксії з подальшим формуванням на них р-п-переходів і МОП-структур дозволяє підвищити їх експлуатаційні параметри. Дефектність діелектрика і напруга пробою МОП-структур, виготовлених на легованих Ge епітаксійних шарах, практично не відрізняються від аналогічних параметрів структур, сформованих на стандартних монокристалічних підкладках. Легування епітаксійних плівок германієм дозволяє також знизити величину струмів витоку р-п-переходів до значень, характерних для приладів, створених на монокристалічних підкладках.

Зазначені ефекти обумовлені тим, що введення Ge в епітаксиальні шар дозволяє зменшити ступінь невідповідності параметрів решітки монокристала і епітаксіальної плівки, що призводить до зниження щільності дислокацій невідповідності та зменшення напружень на межі розділу підкладка епітаксійний шар.

II. Список літератури

[1] Технологія НВІС. Ч.2. / Под ред. С. Зі М.: Мир, 1986.

[2] Корзо В. Ф., Черняєв В. Н. Діелектричні плівки в мікроелектроніці. М.: Енергія, 1977 -367 с.

[3] Брінкевіч Д. І., Просоловіч В. С., Янковський Ю. Н. Особливості захоплення на пастки і розсіювання носіїв заряду в оксидах на основі Si: Ge. Мікроелектроніка,

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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.