Исследование и разработка процесса формирования пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами для конденсатора с повышенной емкостью

• Автор: Новак, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Введение
Глава 1. Обзор литературы по применению, формированию и изучению пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами (Н80-81)
1.1 Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами и их применение в интегральной электронике
1.2 Методы формирования и используемое оборудование для формирования слоев поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью
1.3 Методы, использовавшиеся для изучения пленок Нвв кремния и оценки их качества
1.4 Особенности формирования пленок поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью
1.4.1 Влияние температуры и давления осаждения на кристаллическую структуру
слоев кремния, получаемых методом ЬРСУО
1.4.2 Влияние температуры осаждения на формирование пленок ШО-81 с большой площадью поверхности
1.4.3 Зависимость морфологии пленок от температуры осаждения
1.4.4 Зависимость морфологии поверхности пленок Шв кремния от толщины..
1.4.5 Зависимость увеличения площади поверхности пленки ИБО кремния от толщины пленки
1.4.6 Влияние времени отжига на морфологию пленок Нвв кремния
1.5 Структура и механизм образования пленок Н8в кремния
1.6 Анализ опубликованных данных по структуре и электрическим свойствам конденсаторных структур с пленками
1.7 Основные результаты и выводы, полученные из анализа опубликованных данных по условиям и способам нанесения пленок Шв кремния
Глава 2. Изучение морфологии пленок кремния, получаемых методом ЬРСУЕ), для температурной области, содержащей переход от аморфного кремния к поликристаллическому
2.1 Получение и экспериментальные методы исследования пленок кремния
2.1.1 Получение пленок кремния
2.1.2 Методы, использовавшиеся для изучения морфологии поверхности и определения толщины полученных пленок
2.2 Методы математической обработки АСМ изображений поверхности
2.3 Поиск температурного интервала образования пленок Н8С кремния:
исследование морфологии ЬРСУБ пленок кремния в температурном интервале 550-620°С
2.4 Детальное изучение морфологии Н8С-81 пленок в температурном интервале от 571°О5950С
2.4.1 Изучение зависимости от температуры морфологии пленок Шв кремния толщиной 100 нм в интервале от 57100 595°С
2.4.2 Изучение зависимости морфологии Н8С-81 пленок от толщины в температурном интервале от 57100595°С
2.4.3 Оценка влияния размеров зонда на параметры, полученные из анализа АСМ-изображений
Глава 3. Морфология поверхности пленок аморфного, поликристаллического и Н8в кремния. Эволюция морфологии поверхности пленок Нвй кремния при росте толщины пленки

3.1 Сравнительный анализ морфологии поверхности пленок аморфного, поликристаллического и Шв кремния
3.1.1 Функции распределения высот и амплитудные параметры поверхности для трех характерных типов пленок кремния
3.1.2 Корреляционные и пространственные свойства поверхности характерных пленок кремния
3.2 Эволюция морфологии поверхности при росте пленок ЖО кремния на основе использования скейлингового подхода
3.2.1 Анализ корреляционных функций высота-высота Н(г) для Н80-81 пленок, полученных при различном времени осаждения
3.2.2 Изучение зависимости ширины интерфейса у, латеральной корреляционной длины 4 и длины волны от времени осаждения
3.3 Зависимость размера, плотности зерен и основных параметров поверхности от толщины пленки Шв кремния
Глава 4. Разработка, изготовление конденсаторов с повышенной емкостью на основе Н80-81 пленок и изучение их электрических характеристик
4.1 Структура и изготовление конденсаторов на основе пленок
4.2 Исследование электрических характеристик конденсаторов на основе Шв-в! пленок
4.3 Изучение зависимости электрических характеристик конденсаторной структуры от толщины диэлектрического слоя
4.3.1 Зависимость электрической емкости от толщины диэлектрического слоя.
4.3.2 Зависимость эквивалентной электрической прочности от толщины диэлектрического слоя
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Основные представления о скейлинговом анализе
Самоаффинные и самоподобные фракталы
Самоаффинная поверхность
Динамический скейлинг
«Холмообразная» поверхность
Приложение 2. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Введение
Актуальность работы
При разработке интегральных схем, содержащих конденсаторные структуры, с увеличением степени интеграции возникает необходимость увеличения удельной емкости таких структур. Одним из способов увеличения удельной емкости конденсаторных структур является использование в качестве электродов слоев поликристаллического кремния с полусферическими зернами [1,2], имеющих большую площадь поверхности.
Пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами (hemispherical-grain polycrystalline silicon (HSG-Si) [1,2]), называемые также пленками поликристаллического кремния с шероховатой поверхностью [3], имеют развитую поверхность, площадь которой в 1,5-2,5 раза больше площади поверхности «гладких» пленок [1-4]. HSG-Si пленка представляет собой слой, образованный из плотно упакованных зерен, имеющих примерно одинаковый размер. Размер зерен, в зависимости от условий формирования, может варьироваться от 2 нм до 200 нм.
Пленки HSG-Si используются в современных интегральных схемах в элементах динамической памяти (DRAM) в качестве нижнего электрода конденсатора хранения, что позволяет увеличить емкость, приходящуюся на единицу площади элемента более чем в 2 раза по сравнению с «гладким» электродом из поликристаллического кремния [5,6-35]. Кроме того, пленки HSG-Si представляют интерес для различных применений в микроэлектромеханических системах (MEMS) [36-38], а пленки с малым размером зерен (1-20 нм) [39] представляют интерес для приборов, основанных на использовании кремниевых нанозерен: в одноэлектронных приборах [40,41], в элементах
энергонезависимой памяти [42-45], фотоэлектронных приборах [46-53].
С точки зрения использования пленок HSG-Si в конденсаторных структурах важной характеристикой HSG-Si пленок является величина приращения площади поверхности (по сравнению с гладкой пленкой). Кроме того, важными характеристиками HSG-Si пленок, как для применения в конденсаторных структурах, так и для других применений, являются размер и плотность зерен.
Пленки HSG-Si получают на основе метода химического парофазного осаждения (LPCVD, PECVD) из моносилана [1-4], при специальных условиях формирования (температуре, давлении и времени осаждения, температуре и времени отжига и т.д.).

работе [2] подтверждаются исследованиями, проведенными в других работах [3, 26-28]. Различия в основном касаются данных о точном положении температурного интервала образования пленок HSG кремния с максимальной площадью поверхности.
Кристаллическая структура LPCVD пленок в переходной области изучалась в работах [3,25-27,55]. В результате обобщения приведенных в этих работах данных можно сделать вывод, что в переходной области в зернах пленок HSG кремния преимущественной является ориентацией <311>, в то время как в пленках поликристаллического кремния, получаемого при температурах 600-Н$20°С, преимущественной является ориентация <110>.
1.6 Анализ опубликованных данных по структуре и электрическим
свойствам конденсаторных структур с HSG-Si пленками
Опубликовано сравнительно небольшое количество работ, в которых приводятся более-менее подробные данные о структуре конденсаторов на основе HSG-Si пленок и их электрическим характеристикам. Для сравнения и оценки электрических свойств конденсаторных структур используют такие характеристики и параметры, как коэффициент увеличения емкости, толщина диэлектрического слоя, эквивалентная оксидная толщина диэлектрического слоя, величина тока утечки при определенном напряжении, электрическая прочность, эквивалентная электрическая прочность и т.д.
Коэффициент увеличения емкости (area enhancement factor - AEF [4]) определяют как отношение емкости конденсатора с HSG-Si пленкой (CHSG), к емкости конденсатора с гладким электродом из поликристаллическоко кремния (Сро|у) с таким же диэлектрическим слоем: AEF=CHsG/Gp0iy.
Эквивалентная оксидная толщина teq для диэлектрического слоя соответствует толщине диэлектрического слоя Si02, который обеспечивает такую же емкость конденсатора.
Эквивалентная электрическая прочность Eeq, определяется как отношение напряжения пробоя к эквивалентной толщине диэлектрического слоя.
В работе [2] изучались конденсаторы, имеющие следующую структуру: нижний электрод - HSG-Si пленка толщиной 100 нм, средний размер зерен 80 нм; диэлектрический слой - двухслойный Si02/Si3N4 (ON); верхний электрод -поликристаллический кремний, осаждавшийся методом LPCVD при 640°С. При