Влияние ионной имплантации азота на электрофизические свойства подзатворного диэлектрика силовых МОП-транзисторов

  • Владимир Борисович Оджаев Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Анатолий Кузьмич Панфиленко «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Александр Николаевич Петлицкий «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Владислав Савельевич Просолович Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Наталья Станиславовна Ковальчук «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Ярослав Александрович Соловьев «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Виктор Анатольевич Филипеня «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Дмитрий Викторович Шестовский «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-55-64

Аннотация

Исследованы силовые МОП-транзисторы с вертикальной структурой. В ряд приборов дополнительно производилась ионная имплантация азота с энергиями 20 и 40 кэВ в диапазоне доз 1 ⋅1013–5 ⋅ 1014 см –2 через защитный оксид толщиной 20 нм. Для одной группы пластин сначала выполнялся быстрый термический отжиг, затем осуществлялось снятие оксида (прямой порядок), для другой группы – в противоположной последовательности (обратный порядок). Установлено, что при дополнительном внедрении ионов азота дозами 1⋅ 1013–5 ⋅ 1013 см –2 с энергией 20 кэВ наблюдается увеличение заряда пробоя подзатворного диэлектрика для прямого порядка отжига. Максимальный эффект имел место для образцов при дозе ионов азота 1 ⋅1013 см –2 и прямом порядке термообработки. Это обусловлено взаимодействием в процессе отжига атомов азота с оборванными связями границы раздела Si – SiO2, в результате чего образуются прочные химические связи, препятствующие накоплению заряда на поверхности границы раздела Si – SiO2. Предположено, что основной вклад в ток утечки затвора вносит туннелирование носителей заряда через ловушки.

Биографии авторов

Владимир Борисович Оджаев, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Анатолий Кузьмич Панфиленко, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

главный инженер

Александр Николаевич Петлицкий, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; директор государственного центра «Белмикроанализ» филиала НТЦ «Белмикросистемы»

Владислав Савельевич Просолович, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий научно-исследовательской лабораторией спектроскопии полупроводников кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета.

Наталья Станиславовна Ковальчук, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заместитель главного инженера

Ярослав Александрович Соловьев, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заместитель директора филиала «Транзистор»

Виктор Анатольевич Филипеня, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

ведущий инженер государственного центра «Белмикроанализ» филиала НТЦ «Белмикросистемы»

Дмитрий Викторович Шестовский , «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121А, 220108, г. Минск, Беларусь

инженер-технолог отдела перспективных технологических процессов

Литература

  1. Krasnikov GYa. Konstruktivno-tekhnologicheskie osobennosti submikronnykh MOP-tranzistorov [Design and technological features of submicron MOS-transistors]. 2nd edition, revised. Moscow: Tekhnosfera; 2011. 800 p. Russian.
  2. Odzaev VB, Pyatlitski AN, Prasalovich VS, Turtsevich AS, Shvedau SV, Filipenia VA, et al. Influence of technological impurities on electrical parameters of MOS-transistor. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2014;4:14–17. Russian.
  3. Baliga BJ. Advanced power MOSFET concepts. New York: Springer Science + Business Media; 2010. 578 p. DOI: 10.1007/978- 1-4419-5917-1.
  4. Adam LS, Bowen C, Law ME. On implant-based multiple gate oxide schemes for system-on-chip integration. IEEE Transactions on Electron Devices. 2003;50(3):589–600. DOI: 10.1109/TED.2003.810473.
  5. Dumin DJ, editor. Oxide reliability: a summary of silicon oxide wearout, breakdown, and reliability. Singapore: World Scientific; 2002. 280 p. (Selected topics in electronics and systems; volume 23). DOI: 10.1142/4880.
  6. Chiu F-C. A review on conduction mechanisms in dielectric films. Advances in Materials Science and Engineering. 2014;2014: 578168. DOI: 10.1155/2014/578168.
  7. Sze SM, Lee MK. Semiconductor devices: physics and technology. 3rd edition. [S. l.]: John Wiley & Sons; 2012. 592 p.
  8. Robertson J. High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors. Reports on Progress in Physics. 2005;69(2): 327–396. DOI: 10.1088/0034-4885/69/2/R02.
  9. Khanin SD. Hopping electronic conduction in metal oxide films and their insulating properties. In: Proceedings of the 4th International conference on conduction and breakdown in solid dielectrics; 1992 June 22–25; Sestri Levante, Italy. [S. l.]: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 1992. p. 57–61. DOI: 10.1109/ICSD.1992.224960.
  10. Nam I-H, Hong S-I, Sim J-S, Park B-G, Lee JD. 열처리 효과가 질소이온주입후에 성장시킨 산화막의 QBD 특성에 미치는 영향 [Annealing effects on QBD of ultra-thin gate oxide grown on nitrogen implanted silicon]. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD. 2000;37(3):6–13. Korean.
  11. Nam I-H, Sim JS, Hong SI, Park B-G, Lee JD, Lee S-W, et al. Ultrathin gate oxide grown on nitrogen-implanted silicon for deep submicron CMOS transistors. IEEE Transactions on Electron Devices. 2001;48(10):2310–2316. DOI: 10.1109/16.954470.
  12. Takasaki K, Irino K, Aoyama T, Momiyama Y, Nakanishi T, Tamura Y, et al. Impact of nitrogen profile in gate nitrided-oxide on deep-submicron CMOS performance and reliability. Fujitsu Scientific and Technical Journal. 2003;39(1):40–51.
  13. Chelyadinskii AR, Yavid VYu, Węgierek P. Accumulation of radiation defects in silicon implanted with nitrogen ions. In: Vzaimodeistvie izluchenii s tverdym telom. Materialy 5-i Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii; 6–9 oktyabrya 2003 g.; Minsk, Belarus’ [Interaction of radiation with solids. Proceedings of the 5th International scientific conference; 2003 October 6–9; Minsk, Belarus]. Minsk: Belarusian State University; 2003. p. 206–208. Russian.
  14. Berchenko NN, Medvedev YuV. Chemistry of compound semiconductor – native dielectric interface. Uspekhi khimii. 1994; 63(8):655–672. Russian.
  15. Ryan JT, Lenahan PM, Grasser T, Enichlmair H. Recovery-free electron spin resonance observations of NBTI degradation. In: 2010 IEEE International reliability physics symposium; 2010 May 2–6; Anaheim, CA, USA. [S. l.]: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2010. p. 43–49. DOI: 10.1109/IRPS.2010.5488854.
  16. DiMaria DJ, Stasiak JW. Trap creation in silicon dioxide produced by hot electrons. Journal of Applied Physics. 1989;65(6): 2342–2356. DOI: 10.1063/1.342824.
  17. Gritsenko VA, Zhuravlev KS, Nadolinnyi VA. [Quantization of the electronic spectrum and localization of electrons and holes in silicon quantum dots]. Fizika tverdogo tela. 2011;53(4):803–806. Russian.
  18. Li FM, Nathan A. CCD image sensors in deep-ultraviolet: degradation behavior and damage mechanisms. Berlin: SpringerVerlag; 2005. 231 p. DOI: 10.1007/b139047.
  19. Gritsenko VA. [The structure of the silicon/oxide and nitride/oxide interface]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2009;179(9):921–930. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.0179.200909a.0921.
  20. Guarin FJ, Rauch SE, La Rosa G, Brelsford K. Improvement in hot carrier lifetime as a function of N2 ion implantation before gate oxide growth in deep submicron NMOS devices. IEEE Electron Device Letters. 1999;20(12):602–604. DOI: 10.1109/55.806098.
  21. Liu CT, Lloyd EJ, Ma Y, Du M, Opila RL, Hillenius SF. High performance 0.2 mm CMOS with 25 A gate oxide grown on nitrogen implanted Si substrates. In: International electron devices meeting. Technical digest; 1996 December 8–11; San Francisco, CA, USA. [S. l.]: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 1996. p. 499–502. DOI: 10.1109/IEDM.1996.553849.
  22. Josquin WJMJ. The application of nitrogen ion implantation in silicon technology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1983;209–210(part 2):581–587. DOI: 10.1016/0167-5087(83)90855-4.
Опубликован
2020-10-07
Ключевые слова: подзатворный диэлектрик, ионная имплантация, ионы азота, силовые МОП-транзисторы
Как цитировать
Оджаев, В. Б., Панфиленко, А. К., Петлицкий, А. Н., Просолович, В. С., Ковальчук, Н. С., Соловьев, Я. А., Филипеня, В. А., & Шестовский , Д. В. (2020). Влияние ионной имплантации азота на электрофизические свойства подзатворного диэлектрика силовых МОП-транзисторов. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 55-64. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-55-64
Выпуск
№ 3 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика и техника полупроводников

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).