XIV International PhD Workshop OWD 2012, October 2012

Transkrypt

1 XIV International PhD Workshop OWD 2012, October 2012 Wpływ profilu implantacji azotu na parametry elektryczne dielektryków bramkowych struktur MOS na węgliku krzemu The influence of shallow nitrogen implantation on electrical parameters of MOS structure gate dielectrics on silicon carbide Krystian Król, Tele and Radio Research Institute ( , prof. dr hab. inż. Jan Szmidt, Warsaw University of Technology, Institute of Micro- and Optoelectronics) Abstract One of efficient methods of reducing interface trap density in silicon carbide (SiC) is shallow nitrogen implantation performed prior oxidation of semiconductor substrate. This method results in one of the greatest reduction of trap densities in MOS structure resulting in high electron mobility of MOS FET transistor made on this material [1]. In this work an influence of implanted nitrogen profile and concentration on trap properties of MOS structure is shown. As shown on Fig.3 nitrogen concentration has a great impact on trap states at energies near midgap, whereas a dose and nitrogen profile impacts most traps localized near conduction band edge. Those traps are at special interest since they has the greatest concentrations. The origins of those rising edge trap profile is unknown and there is only few reports of reducing those traps density increasing quality of oxide and thus reducing of series resistance of SiC power MOSFET transistor. The impact of dose and concentration profile has a great influence on critical electrical field of oxide. A high critical field is necessary for power devices allowing them to work at high voltages. Fig. 2 shows cumulative breakdown voltage of dielectric layers. As the concentration of nitrogen in oxidized area is rising so does critical break down voltage. The reason for this phenomenon is higher nitrogen concentration and surface region implantation introduced amorphisation (Fig. 4) that enhances incorporation of nitrogen. Streszczenie Niniejszy artykuł przedstawia wyniki badań elektro-chemicznych dotyczących wpływu profilu i koncentracji azotu wprowadzanego drogą płytkiej implantacji jonowej do podłoża węglikokrzemowego na parametry dielektryków bramkowych przeznaczonych do zastosowania w tranzystorach mocy typu MOS. Parametry dielektryka bramkowego są kluczowe dla uzyskania tranzystora o małej rezystancji szeregowej, która jest jednym z najważniejszych parametrów przyrządów mocy. Opisywana metoda pozwala na redukcję gęstości stanów pułapkowych odpowiedzialnych za wzrost rezystancji szeregowej przyrządu, w szczególności stanów pułapkowych o największych koncentracjach położonych w pobliżu krawędzi pasma przewodnictwa. Użycie tej metody wpływa również na wytrzymałość dielektryka na pole elektryczne, zwiększając krytyczną wartość pola, dla której następuje przebicie tlenku. Poprawa tych parametrów zależy w dużej mierze od warunków implantacji azotu (np. profilu implantacji, dozy implantowanego pierwiastka). Wpływ ten badano przy pomocy pomiarów elektrycznych charakterystyk C-V i I-V struktur MOS wytworzonych na węgliku krzemu, symulacje dotyczące wpływu implantacji na parametry materiałowe wykonano przy pomocy symulatora Monte-Carlo SRIM. 1. Wiadomości wstępne Spośród półprzewodnikowych materiałów szerokopasmowych węglik krzemu (SiC) wyróżnia się wieloma właściwościami fizycznymi predestynującymi ten materiał do zastosowań w przyrządach półprzewodnikowych mocy [1]. SiC cechuje się wysokim polem krytycznym (~4 MV/cm) [2], wysoką przewodnością cieplną (~3.7 Wcm -1 K -1 ), wysoką prędkością nasycenia nośników (wartość) [3]. Przyrządy wykonane z węglika krzemu mogą mieć znacznie mniejsze rozmiary przy zbliżonych parametrach w stosunku do wykorzystywanych obecnie przyrządów krzemowych, redukując wpływ parametrów pasożytniczych na właściwości dynamiczne układów przetwarzania energii (przekształtników). W szczególności przyrządy te pozwalają na zwiększenie częstotliwości pracy przekształtników energii zwiększając ich sprawność [4]. Jako jedyny materiał szerokopasmowy SiC pozwala na wytworzenie dielektryka naturalnego o dobrej jakości w postaci SiO 2 w procesie utleniania termicznego. Jest to 182

2 istotna zaleta umożliwiająca wytwarzanie przyrządów MOS w procesie częściowo kompatybilnym z technologią krzemową. Niestety jakość tlenku bramkowego otrzymywanego w procesie utleniania termicznego znanego z technologii krzemowej jest niewystarczająca do otrzymywania przyrządów MOS na węgliku krzemu o oczekiwanych, unikalnych parametrach. Przyczyną takiego stanu jest dwuskładnikowa budowa materiału oraz jego duża gęstość w porównaniu z krzemem. Proces utleniania jest wieloetapowy i skomplikowany, a w efekcie w warstwach dielektrycznych pozostają zanieczyszczenia węglowe będące centrami pułapkowymi dla nośników. W pobliżu obszaru przejściowego dielektrykpółprzewodnik istnieją też stosunkowo duże naprężenia mechaniczne generujące dużą ilość zerwanych wiązań i wakansów, a także dużą ilość międzywęzłowych atomów krzemu i węgla [5]. Duża gęstość stanów pułapkowych w przerwie zabronionej jest podstawową przyczyną wysokiej rezystancji szeregowej tranzystorów mocy SiC. W trakcie prac dotyczących metod modyfikacji procesu utleniania ustalono, że ilość stanów pułapkowych można znacząco zmniejszyć wprowadzając do dielektryka azot np. poprzez wygrzewanie w wysokich temperaturach warstw dielektrycznych w atmosferze tlenków azotu NO oraz N 2O [6,7]. Z uwagi na to, że stopień poprawy parametrów elektrycznych warstw dielektrycznych jest proporcjonalny do koncentracji azotu w pobliżu obszaru przejściowego dielektryk-półprzewodnik [8], zaproponowano alternatywną metodę wprowadzania azotu przy wykorzystaniu procesu implantacji ze względu na możliwość uzyskania dużych koncentracji o dobrze kontrolowanej wartości. Poniżej przedstawiono wyniki badań wpływu profilu domieszkowania i dozy implantacji na parametry elektro-fizyczne struktur MOS na SiC. koncentracji azotu. Próbka #9 nie była impalntowana i służyła jako próbka referencyjna. Po wykonaniu procesu implantacji nie przeprowadzono żadnych dodatkowych procesów wygrzewania. Wytworzone uprzednio maski SiO 2 strawiono, a zaimplantowane podłoża utleniono termicznie w temperaturze 1200 O C w atmosferze suchego tlenu. Na otrzymanych w ten sposób warstwach dielektryka wytworzono struktury kondensatorów MOS stosując tytanowy kontakt omowy do spodu struktury półprzewodnikowej oraz aluminiowe bramki kołowe o powierzchni 1.8x10-4 cm 2 na powierzchni warstwy dielektrycznej. Otrzymane struktury MOS scharakteryzowano poprzez wykonanie pomiarów elektrycznych charakterystyk C-V oraz I-V. a) 2. Metodologia Do eksperymentu użyto 9 próbek 4H-SiC (0001) oznaczonych #1-#9. Podłoża przeszły procedurę czyszczenia RCA, a następnie na ich powierzchni została wytworzona warstwa tlenku SiO 2 metodą PECVD pełniąca funkcję maski stopującej implantowane jony. Grubość maski została tak dobrana, żeby uzyskać profile koncentracji implantowanego pierwiastka jak na Rys. 1. Podłoża zostały następnie poddane implantacji jonów N 2 z energią 100keV w temperaturze pokojowej. Na podłożach #1 - #4 profil koncentracji był tak dobrany, aby maksimum koncentracji azotu znajdowało się w obszarze interfejsu dielektryk/półprzewodnik wytworzonej później struktury MOS. W podłożach #5 - #8 interfejs ten znajdował się na opadającym zboczu profilu Rys.1. Profile koncentracji implantowanego azotu w podłożu dla próbek z maksimum koncentracji w obszarze interfejsu (a) i próbek z opadającym zboczem koncentracji azotu na interfejsie (. Fig.1. Nitrogen concentration depth profiles for samples implanted at peak concentration on MOS interface (a) and decaying profile of concentration profile (. Na podstawie pomiarów C-V wyznaczono gęstość stanów pułapkowych o energiach bliskich energii krawędzi pasma przewodnictwa używając metody wysokoczęstotliwościowej (Termana). Napięcie płaskich pasm (U FB) oraz ładunek efektywny (Q eff) obliczono metodą 1/C 2 przyjmując teoretyczną wartość kontaktowej różnicy potencjałów. 183

3 2. Wyniki i dyskusja wyników W Tab. 1 przedstawiono podstawowe parametry struktur MOS obliczone na podstawie danych pochodzących z pomiarów elektrycznych. Tab.1. Podstawowe parametry elektryczne badanych struktur MOS Basic electric al parameters of investigated samples Nr d EOT N N2 U FB Q eff /q [nm] [nm] [cm -3 ] [V] [cm -2 ] # e # e # e # * 1.3e19 -* -* # e # e # e # e # *-brak prawidłowej charakterystyki C-V Wraz ze wzrostem koncentracji implantowanego azotu rośnie wartość napięcia płaskich pasm. Efekt ten jest obserwowany również w przypadku technologii polegającej na wygrzewaniu dielektryków w atmosferze azotowej i wynika z przyłączania azotu w objętości dielektryka [9]. Potwierdzają to pomiary wartości ładunku efektywnego przedstawione w Tab. 1 oraz wyniki obliczeń gęstości stanów pułapkowych D it (rys. 3) w pobliżu krawędzi pasma przewodnictwa. Ilość azotu przyłączanego w objętości dielektryka jest zależna nie tylko od dozy implantowanego pierwiastka, ale również w sposób zasadniczy zależy od profilu koncentracji. Dla próbek implantowanych z maksimum w obszarze interfejsu (#1 - #4) napięcie płaskich pasm rośnie gwałtownie wraz z koncentracją azotu powyżej ~ cm -3 (N N2 ). Podobnego efektu nie obserwowano dla próbek implantowanych w taki sposób, aby uzyskać interfejs struktury MOS na zboczu opadającym profilu koncentracji #5 - #8. W każdym przypadku płaski profil koncentracji skutkuje wyraźniejszym wzrostem wartości napięcia płaskich pasm w porównaniu z próbką referencyjną niż profil opadający. Należy przypuszczać, że w próbkach z maksimum implantacji dochodzi do efektywniejszego przyłączania zaimplantowanego azotu w objętość dielektryka, co potwierdzają zarówno obliczone wartości ładunku efektywnego (Tab. 1) jak i zaprezentowana na Rys. 2 dystrybuanta rozkładu statystycznego pola krytycznego w dielektryku. Dla małych wartości pola elektrycznego średnia wartość krytycznego pola elektrycznego jest nieznacznie większa w próbkach poddanych implantacji azotu niż w próbce nieimplantowanej. a) Rys.2. Dystrybuanta rozkładu statystycznego krytycznego pola elektrycznego w dielektryku dla próbek z maksimum koncentracji w obszarze interfejsu (a) i próbek z opadającym zboczem koncentracji azotu na interfejsie (. Fig.2. Cumulative breakdown failure distribution for samples implanted at peak concentration on MOS interface (a) and decaying profile of concentration profile (. Przy koncentracji azotu powyżej ~ cm -3 dla próbek z maksimum implantacji oraz ok. ~ cm -3 dla próbek z opadającym zboczem profilu koncentracji średnia wartość pola krytycznego znacząco rośnie aż do wartości przekraczającej teoretyczną wartość uzyskiwaną dla stechiometrycznego SiO 2. Opisywany efekt dowodzi, że w warstwach implantowanych dużymi dozami azotu dochodzi w wyniku utleniania do wytworzenia niestechiometrycznego dielektryka najprawdopodobniej o składzie SiO XN Y w skutek czego zwiększa się wartość przenikalności dielektrycznej warstwy w stosunku do stechiometrycznego SiO 2 zwiększając jej krytyczne pole elektryczne. Potwierdza to porównanie zmierzonych metodą elipsometryczną grubości dielektryków oraz grubości wyliczonych na podstawie pojemności struktury MOS w zakresie akumulacji (Tab.1; d grubość rzeczywista i EOT efektywna grubość tlenku). Na Rys.3. przedstawiono obliczone profile gęstości powierzchniowej stanów pułapkowych w 184

4 funkcji położenia energetycznego w przerwie energii zabronionych półprzewodnika (przyjęto energię zerową na poziomie krawędzi pasma walencyjnego). a) Rys.3. Obliczone profile energetyczne gęstości powierzchniowych stanów pułapkowych dla próbek z maksimum koncentracji w obszarze interfejsu (a) i próbek z opadającym zboczem koncentracji azotu na interfejsie (. Fig.2. Calculated trap densities of states energy distribution for samples implanted at peak concentration on MOS interface (a) and decaying profile of concentration profile (. Można na tej podstawie stwierdzić, że dla małych doz implantacji uzyskuje się zmniejszenie gęstości stanów pułapkowych o energiach bliskich energii krawędzi pasma przewodnictwa. Dla koncentracji mniejszej niż cm -3, niezależnie od profilu implantacji azotu, obserwuje się redukcję gęstości stanów pułapkowych w tym zakresie energetycznym. Jest to szczególnie ważne, ponieważ pochodzenie tych stanów nie zostało do końca wyjaśnione i nie istnieją skuteczne metody pozwalające na ich redukcję. Skuteczniejszą redukcję uzyskuje się w przypadku implantacji ze zboczem opadającym profilu. Dla stanów pułapkowych położonych głębiej w przerwie energii zabronionych, małe dozy implantacji, niezależnie od profilu koncentracji azotu, nie powodują zmniejszenia gęstości stanów powierzchniowych. Uważa się, że pułapki w tym zakresie energii pochodzą głównie od zanieczyszczeń węglowych [10,11] i to właśnie tego typu defekty są efektywnie usuwane przez przyłączanie azotu w postaci wiązań C=N [12]. Dla małych doz implantacji koncentracja azotu jest pomijalna w porównaniu z koncentracją zanieczyszczeń węglowych pozostających po utlenianiu termicznym SiC, dlatego też nie obserwuje się redukcji gęstości stanów pułapkowych w tym wypadku. Wraz ze wzrostem koncentracji implantowanego azotu do poziomu cm -3 ilość azotu przyłączanego w warstwie zwiększa się i zaczyna być porównywalna z ilością centrów defektowych pochodzenia węglowego, co można zaobserwować na Rys. 3 jako spadek gęstości stanów pułapkowych w głębi przerwy zabronionej. Analogiczny efekt obserwuje się w przypadku technologii wygrzewania w atmosferach azotowych [6-8]. Przedstawione wyniki sugerują, że pułapki powierzchniowe o energiach położonych w pobliżu pasma przewodnictwa mają inne pochodzenie niż pułapki położone w głębi pasma. Redukcję gęstości stanów pułapkowych w pobliżu krawędzi pasma przewodnictwa uzyskano tylko dla małych doz implantacji i koncentracji niewystarczających do efektywnego neutralizowania stanów wprowadzanych przez zanieczyszczenia węglowe i przypuszczać należy, że w zakresie energii 3 3,2 ev dominującą rolę odgrywają defekty strukturalne w postaci zerwanych wiązań i/lub międzywęzłowych atomów krzemu i węgla emitowanych z obszaru interfejsu w trakcie utleniania w skutek istnienia znacznych naprężeń mechanicznych związanych z niedopasowaniem strukturalnym dielektryka i półprzewodnika. Niewielkie dozy implantacji wpływają najprawdopodobniej na redukcję naprężeń mechanicznych powstających w trakcie utleniania termicznego skutkując redukcją ilości powstających defektów strukturalnych. Hipotezę tą popierają również wyniki uzyskane dla bardzo dużych doz implantacji. Duża doza implantacji oznacza wprowadzenie znacznych zniszczeń implantacyjnych do materiału. Na Rys. 4 pokazano modelowany procentowy profil zniszczeń w funkcji głębokości uzyskany jako całkowita ilość wkansów (proporcjonalna do powstałych w ten sposób defektów strukturalnych) w stosunku do gęstości atomowej węglika krzemu [13]. Próbki implantowane największymi dozami charakteryzują się również największymi zniszczeniami oraz największą amorfizacją powierzchni. W próbkach tych dochodzi do najefektywniejszego przyłączania azotu w trakcie utleniania. Zniszczenia są większe w próbkach ze zboczem opadającym implantacji, ponieważ koncentracja azotu w obszarze przypowierzchniowym tych próbek jest większa niż w przypadku próbek z maksimum koncentracji na interfejsie (wymagana jest większa doza, aby uzyskać takie same wartości koncentracji w obszarze interfejsu dla obu profili). Dlatego też dla bardzo dużych doz w przypadku profilu opadającego obserwuje się wyraźny wzrost gęstości stanów powierzchniowych w pobliżu pasma przewodnictwa zgodnie z zaproponowaną hipotezą są defekty te powstają w skutek zniszczeń wywołanych 185

5 a) Rys.4. Profile procentowego zniszczenia podłoża półprzewodnikowego dla próbek z maksimum koncentracji w obszarze interfejsu (a) i próbek z opadającym zboczem koncentracji azotu na interfejsie (. Fig.2. Percentage damage events profiles for samples implanted at peak concentration on MOS interface (a) and decaying profile of concentration profile (. implantacją. Próbki z maksimum implantacji w obszarze interfejsu charakteryzują się mniejszym zniszczeniem podłoża, ponieważ do uzyskania wymaganej koncentracji azotu nie jest konieczne stosowanie tak dużych doz implantacji. Efekt wzrostu gęstości stanów pułapkowych jest obserwowany, ale słabszy w aspekcie ilościowym. W próbkach tych zniszczenia sięgają głęboko w podłoże półprzewodnikowe w przeciwieństwie do próbek z opadającym zboczem implantacji na interfejsie, w których zniszczenia zanikają szybko wraz z głębokością. Powoduje to znaczną degradację parametrów półprzewodnika i dla próbki #4, pomimo mniejszego poziomu zniszczeń w obszarze przypowierzchniowym, dochodzi do zaburzenia struktury pasmowej półprzewodnika (degeneracji półprzewodnika) nie pozwalającej na przeprowadzenie pomiarów C-V. Efektu tego nie wykazują próbki, w których zniszczenie zanika szybko wraz z głębokością w podłożu. 3. Podsumowanie Płytka implantacja jonowa azotu w podłoże SiC przeprowadzona przed procesem utleniania termicznego daje możliwość redukcji gęstości stanów pułapkowych o energiach bliskich krawędzi pasma przewodnictwa. Stany te, pochodzące najprawdopodobniej od defektów strukturalnych, charakteryzują się największymi gęstościami i w największym stopniu wpływają na ruchliwość nośników w kanale tranzystorów MOSFET. Poprzez dobór odpowiednich warunków implantacji, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu zniszczeń i dozy implantacji, możliwa jest znaczna redukcja gęstości stanów pułapkowych związanych z defektami strukturalnymi. Metoda ta, w połączeniu z metodami termicznego przyłączania azotu w procesie wygrzewania wysokotemperaturowego, daje możliwość znacznej redukcji gęstości pułapek w strukturach MOS wykonanych na węgliku krzemu. Wadą zaproponowanej metody jest znaczny wzrost napięcia płaskich pasm wywołany implantacją jonową. Redukcja tego efektu jest tematem dalszych prac. Podziękowania: Niniejsze prace były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu nr N N Wpływ przypowierzchniowego domieszkowania węglika krzemu 4H-SiC techniką implantacji jonów na właściwości elektrofizyczne struktur MOS Literatura: 1. C.M. M. Zetterling, B. L. Weiss, Process technology for silicon carbide devices Institution of Electrical Engineers, Stevenge M. Huang, N. Goldsman, C. Chang, I. Mayergoyz, J. M. McGarrity, D. Woolard; "Determining 4H silicon carbide electronic properties through combined use of device simulation and metal-semiconductor fieldeffect-transistor terminal characteristics", Journal of Applied Physics, Volume 84, Issue 4, 1998, (1998) pp Yu. Goldberg, M. E. Levinshtein, S. L. Rumyantsev in: M. E. Levinshtein, S. L. Rumyantsev, M. S. Shur (Eds.), Properties of Advanced SemiconductorMaterials GaN, AlN, SiC, BN, SiC, SiGe, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, pp O przyrządach na SiC 5. Y. Hijikata, H. Yaguchi, S. Yoshida, "A Kinetic Model of Silicon Carbide Oxidation Based on the Interfacial Silicon and Carbon Emission Phenomenon", Applied Physics Express, Volume 2, Issue 2, (2009), pp G. V. Soares, I. J. R. Baumvol, L. Hold, F. Kong, J. Han, S. Dimitrijev, C. Radtke, F. C. Stedile,"Sequential thermal treatments of 186

6 SiC in NO and O2: Atomic transport and electrical characteristics", Applied Physics Letters, Volume 91, Issue 4, (2007) id K. McDonald, R. A. Weller, S. T. Pantelides, L. C. Feldman, G. Y. Chung, C. Tin, J. R. Williams, "Characterization and modeling of the nitrogen passivation of interface traps in SiO2/4H-SiC", Journal of Applied Physics, Volume 93, Issue 5, pp (2003). 8. R. Kosugi, T. Umeda, Y. Sakuma,"Fixed nitrogen atoms in the SiO2/SiC interface region and their direct relationship to interface trap density", Applied Physics Letters, Volume 99, Issue 18, (2011) id K. Król, M. Kalisz, M. Sochacki, J. Szmid; The influence of oxygen ambient annealing conditions on the quality of Al/SiO2/n-type 4H-SiC MOS structure, Materials Science and Engineering, DOI /j.mseb Afanasev, V. V.; Bassler, M.; Pensl, G.; Schulz, M., "Intrinsic SiC/SiO2 Interface States", Physica Status Solidi (A), Applied Research, vol. 162, Issue 1, (1997), pp , 11. A. F. Basile, J. Rozen, J. R. Williams, L. C. Feldman, P. M. Mooney, Capacitancevoltage and deep-level-transient spectroscopy characterization of defects near SiO2/SiC interfaces, J. Appl. Phys. 109, (2011) P. Deák, J. Knaup, C. Thill, T. Frauenheim, T. Hornos, A. Gali,"The mechanism of defect creation and passivation at the SiC/SiO2 interface", Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 41, Issue 4, (2008) pp P. Molian, B. Pecholt, S. Gupta, "Picosecond pulsed laser ablation and micromachining of 4H-SiC wafers", Applied Surface Science, v. 255, iss. 8, p (2008) Adres służbowy Autora: Mgr inż. Krystian Król Tele and radio Research Institute ul. Ratuszowa Warszwa tel. (022) wew