Механизм нитридизации слоев диоксида кремния при импульсной фотонной обработке в азотной атмосфере

Владимир Александрович Пилипенко; Наталья Станиславовна Ковальчук; Ярослав Александрович Соловьёв; Дмитрий Викторович Шестовский; Виктор Михайлович Анищик; Владимир Васильевич Понарядов

Авторы

Владимир Александрович Пилипенко «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
Наталья Станиславовна Ковальчук «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
Ярослав Александрович Соловьёв «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
Виктор Михайлович Анищик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
Владимир Васильевич Понарядов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

кремний, диоксид кремния, импульсная фотонная обработка, нитридизация, масс- спектроскопия вторичных ионов

Аннотация

Методом времяпролетной масс-спектроскопии вторичных ионов исследованы профили распределения концентрации связей Si — N в системе Si – SiO₂ после нитридизации диоксида кремния путем импульсной фотонной обработки в азотной атмосфере, обеспечивающей нагрев некогерентным потоком излучения от кварцевых галогенных ламп, который направлен на нерабочую сторону кремниевой подложки, до температуры 1150 °С примерно за 7 с. Слои диоксида кремния толщиной 17,7 нм были получены пирогенным окислением легированных бором подложек монокристаллического кремния с удельным сопротивлением 12 Ом ⋅ см и ориентацией (100) при температуре 850 °С в течение 40 мин. Установлено, что нитридизация диоксида кремния при импульсной фотонной обработке в азотной атмосфере протекает за счет ускоренной диффузии ионов N−, образующихся из-за туннелирования и термоэлектронной эмиссии электронов с поверхности слоя кремния. Нитридизация приводит к формированию на поверхности диоксида кремния и границе раздела Si – SiO₂ слоя с максимальной концентрацией азота путем уменьшения энергии активации образования связей Si — N, обусловленного электронным возбуждением в кремнии и возможным разрывом связей Si — О, Si — ОН, Si — Si. Уменьшение энергии активации происходит в результате изменения напряжений, углов и силы связей Si — О из-за фотонно-температурного воздействия и образования данных связей на поверхности кремния с деформированной кристаллической решеткой ввиду ее механической полировки.

Биографии авторов

Владимир Александрович Пилипенко, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

доктор технических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, профессор; заместитель директора по научному развитию государственного центра «Белмикроанализ»
Наталья Станиславовна Ковальчук, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заместитель генерального директора, главный инженер
Ярослав Александрович Соловьёв, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

доктор технических наук, доцент; заведующий отраслевой лабораторией новых технологий и материалов
Дмитрий Викторович Шестовский, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; инженер-технолог отдела перспективных технологических процессов
Виктор Михайлович Анищик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры физики твердого тела и нанотехнологий физического факультета
Владимир Васильевич Понарядов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий учебной лабораторией кафедры физики твердого тела и нанотехнологий физического факультета

Библиографические ссылки

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.
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.
Park H, Ilderem V, Jasper C, Kaneshiro M, Christiansens J, Jones KS. The effects of implanted nitrogen on diffusion of boron and evolution of extended defects. Materials Research Society Online Proceedings Library. 1997;469:425–430. DOI: 10.1557/PROC-469-425.
Оджаев ВБ, Просолович ВС, Петлицкий АН, Ковальчук НС, Соловьев ЯА, Жигулин ДВ и др. Локализация атомов азота в структурах Si – SiO2. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С, Фундаментальные науки. 2022;11:65–79. DOI: 10.52928/2070-1624-2022-39-11-65-79.
Челядинский АР, Явид ВЮ, Венгерэк П. Накопление радиационных дефектов в кремнии при имплантации ионов азота. В: Белорусский государственный университет. Взаимодействие излучений с твердым телом. Материалы V Международной научной конференции; 6–9 октября 2003 г.; Минск, Беларусь. Минск: БГУ; 2003. с. 206–208. EDN: OOFGPU.
Берченко НН, Медведев ЮВ. Химия границы раздела сложный полупроводник – собственный диэлектрик. Успехи химии. 1994;63(8):665–672. DOI: 10.1070/rc1994v063n08abeh000108.
Ryan JT, Lenahan PM, Grasser T, Enichlmair H. Recovery‑free electron spin resonance observations of NBTI degradation. In: Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2010 IEEE International reliability physics symposium; 2010 May 2–6; Anaheim, USA. Anaheim: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2010. p. 43–49. DOI: 10.1109/IRPS.2010.5488854.
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.
Гриценко ВА, Журавлев КС, Надолинный ВА. Квантование электронного спектра и локализация электронов и дырок в кремниевых квантовых точках. Физика твердого тела. 2011;53(4):803–806. EDN: RCSJQR.
Li FM, Nathan A. CCD image sensors in deep-ultraviolet: degradation behavior and damage mechanisms. Berlin: Springer; 2005. 231 p. DOI: 10.1007/b139047.
Ковальчук НС, Пилипенко ВА, Соловьёв ЯА. Влияние импульсной фотонной обработки в среде азота на оптические и электрофизические характеристики слоев двуокиси кремния и ее границы с кремнием. Доклады БГУИР. 2025;23(3):5–11. DOI: 10.35596/1729-7648-2025-23-3-5-11.
Челядинский АР, Оджаев ВБ. Эффект Воткинса в полупроводниках. Явление и приложения в микроэлектронике. Вестник Белорусского государственного университета. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. 2011;3:10–17. EDN: TAZLPJ.
Красников ГЯ. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Часть 1. Москва: Техносфера; 2002. 416 с.