bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2022-20-4-44-52bsuir-3388Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSИсследования электрофизических свойств тонких подзатворных диэлектриков, полученных методом быстрой термообработкиResearch of Electrophysical Properties of Thin Gate Dielectrics Obtained by Rapid Thermal Processing MethodКовальчукН. С.KovalchukN. S.

к.т.н, доцент, первый заместитель главного инженера

г. Минск

Cand. of Sci. , Assistant Professor, First Deputy Chief Engineer 

Minsk

ОмельченкоА. А.OmelchenkoA. A.

инженер ГЦ «Белмикроанализ» 

г. Минск

Engineer of the «Belmicroanalysis» State Center 

Minsk

ПилипенкоВ. А.PilipenkoV. A.

Пилипенко Владимир Александрович, д.т.н., профессор, член-корр. НАН Беларуси, зам. директора по научному развитию Государственного центра «Белмикроанализ»

220108, г. Минск, ул. Казинца, 121 а

тел. +375-17-318-37-41

Pilipenko Vladimir Aleksandrovich, Dr. of Sci. (Tech.), Professor, Сorr. Member of the NAS of Belarus, Deputy Director for Scientific Development of the «Belmicroanalysis» State Center 

220108, Minsk, Kazintsa St., 121 а

tel. +375-17-318-37-41 

office@bms.byСолодухаВ. А.SolodukhaV. A.

д.т.н., ген. директор

г. Минск

Dr. of Sci. (Tech.), General Director  

Minsk

ДемидовичС. А.DemidovichS. V.

ведущий инженер отраслевой лаборатории новых технологий и материалов 

г. Минск

Leading Engineer at the New Technologies and Materials Industrial Laboratory 

Minsk

КолосВ. В.KolosV. V.

к.ф.-м.н., начальник отраслевой лаборатории новых технологий и материалов 

г. Минск

Cand. of Sci., Acting Chief of the New Technologies And Materials Industrial Laboratory 

Minsk

ФилипеняВ. А.FilipeniaV. A.

ведущий инженер ГЦ «Белмикроанализ» 

г. Минск

Leading Engineer at the «Belmicroanalysis» State Center 

Minsk

ШестовскийД. В.ShestovskiD. V.

инженер-технолог отдела перспективных технологических процессов 

г. Минск

Engineer-Technologist at the Advanced Technological Processes Department 

Minsk

ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»JSC “INTEGRALˮ – “Integralˮ Holding Managing Company2022290620222044452Copyright © Ковальчук Н.С., Омельченко А.А., Пилипенко В.А., Солодуха В.А., Демидович С.А., Колос В.В., Филипеня В.А., Шестовский Д.В., 20222022Ковальчук Н.С., Омельченко А.А., Пилипенко В.А., Солодуха В.А., Демидович С.А., Колос В.В., Филипеня В.А., Шестовский Д.В.Kovalchuk N.S., Omelchenko A.A., Pilipenko V.A., Solodukha V.A., Demidovich S.V., Kolos V.V., Filipenia V.A., Shestovski D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/3388

Проведены исследования электрофизических характеристик диэлектриков затвора, полученных методом быстрой термообработки двухстадийным и трехстадийным процессами. Каждая фотонная обработка (стадия) производилась в течение 12 с при постоянной мощности галогеновых ламп и нагреве пластин до максимальной температуры 1250 °С. Две первых стадии процесса проводились в атмосфере кислорода, третья – в азоте либо формовочном газе. Установлено, что для диэлектриков, полученных процессом с заключительной обработкой в атмосфере азота, абсолютная величина напряжения плоских зон на 0,42 В меньше, чем для диэлектриков, сформированных двухстадийным процессом. Это является следствием ликвидации значительной части дефектов, ответственных за наличие кулоновских центров в слое диэлектрика. Проведение фотонной обработки в атмосфере азота при высоких температурах способствует протеканию процессов перестройки структуры слоя диэлектрика. Для изоляторов, полученных трехстадийным процессом с заключительной обработкой в N2, по сравнению с диэлектриками, сформированными двухстадийным процессом, наблюдается увеличение электрической прочности и напряжения пробоя на 1 В и 3,3 МВ/см соответственно. Рост электрической прочности указывает на релаксацию упругих напряжений деформированных связей и компенсацию оборванных связей как в диэлектрике, так и на его границе с Si в процессе высокотемпературной фотонной обработки. Положительное влияние на прочность диэлектрика также будет оказывать пассивация атомами азота дефектов на границе раздела диэлектрик/полупроводник.

Researches of the electrophysical characteristics of gate dielectrics obtained by the rapid thermal processing (RTP) method by two-stage and three-stage processes have been carried out. Each photonic processing (stage) was carried out for 12 s at a constant power of halogen lamps and heating the wafers to a maximum temperature of 1250 °C. The first two stages of the process were carried out in an oxygen atmosphere, the third - in nitrogen or a forming gas. It was found that for dielectrics obtained by the process with final processing in a nitrogen atmosphere, the absolute value of the voltage of flat zones is 0.42 V less, than for insulators, formed by a two-stage process. This is the consequence of the elimination of a significant part of the defects, responsible for the presence of Coulomb centers in the dielectric layer. Carrying out photonic processing in anitrogen atmosphere at high temperatures of procedures for proceeding of the restructuring of the structure of the dielectric layer. For insulators obtained by a three-stage process with final processing in N2, an increase in dielectric strength and breakdown voltage by 1 V and 3.3 MV/cm, respectively, is observed in comparison with dielectrics, obtained by a two-stage process. An increase in dielectric strength indicates relaxation of elastic stresses of deformed bonds and compensation for dangling bonds both in the dielectric and at its interface with Si during high-temperature photonic treatment. Passivation by nitrogen atoms of deformations at the dielectric/semiconductor interface will also have a positive effect on the strength of the insulator.

метод быстрой термообработкидиэлектрик затворатрехстадийный процесснапряжение плоских зонэлектрическая прочностьнапряжение пробояконцентрация азотаrapid thermal processing methodgate dielectricthree-stage processflat zone voltagedielectric strengthbreakdown voltagenitrogen concentrationReferencesDeleonibus S. Electronic Devices Architectures for the NANO-CMOS Era. Boca Rotation: CRC Press; 2019.Deleonibus S. Electronic Devices Architectures for the NANO-CMOS Era. Boca Rotation: CRC Press; 2019.Fair R.B. Rapid thermal processing: science and technology. Boston: Academic Press; 1993.Fair R.B. Rapid thermal processing: science and technology. Boston: Academic Press; 1993.Borisenko V.E. Hesketh P.J. Rapid Thermal Processing of Semiconductors. New York: Springer Science+Business Media; 1997.Borisenko V.E. Hesketh P.J. Rapid Thermal Processing of Semiconductors. New York: Springer Science+Business Media; 1997.Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Москва: Техносфера; 2011.Krasnikov G.Ya. [Design and technological features of submicron MOS transistors]. Moscow: Technosphere; 2011. (in Russ.)Nishi Y., Doering R. Handbook of semiconductor manufacturing technology. Воса Raton: CRC press; 2008.Nishi Y., Doering R. Handbook of semiconductor manufacturing technology. Воса Raton: CRC press; 2008.Ковальчук Н.С., Омельченко А.А., Пилипенко В.А. Формирование подзатворного диэлектрика нанометровой толщины методом быстрой термообработки. Доклады БГУИР. 2021;19(4):103-112. DOI: 10.35596/1729-7648-2021-19-4-103-112.Kovalchuk N.S., Omelchenko A.A., Pilipenko V.A. [Formation of a gate dielectric of nanometer thickness by rapid thermal process]. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2021;4:103-112. DOI: 10.35596/1729-7648-2021-19-4-103-112. (in Russ.)Sze S.M., Lee M.K. Semiconductor Devices: Physics and Technology. New York: John Wiley & Sons Singapore Pte. Limited; 2012.Sze S.M., Lee M.K. Semiconductor Devices: Physics and Technology. New York: John Wiley & Sons Singapore Pte. Limited; 2012.Белоус А.И., Солодуха В.А., Шведов C.В. Космическая электроника. Книга 1. Москва: Техносфера; 2015.Belous A.I., Solodukha V.A., Shvedov S.V. [Space electronics]. Book 1. Moscow: Technosphere; 2015. (in Russ.)Nalwa H.S. Handbook of surfaces and interfaces of materials, five-volume set. San Diego: Elsevier; 2001.Nalwa H.S. Handbook of surfaces and interfaces of materials, five-volume set. San Diego: Elsevier; 2001.Fleetwood D.M. Border traps and bias-temperature instabilities in MOS devices. Microelectronics Reliability. 2018;80:266-277. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.11.007.Fleetwood D.M. Border traps and bias-temperature instabilities in MOS devices. Microelectronics Reliability. 2018;80:266-277. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.11.007.Grasser T. Noise in Nanoscale Semiconductor Devices. Cham: Springer Nature; 2020.Grasser T. Noise in Nanoscale Semiconductor Devices. Cham: Springer Nature; 2020.Оджаев В.Б., Панфиленко А.К., Петлицкий А.Н. Влияние ионной имплантации азота на электрофизические свойства подзатворного диэлектрика силовых МОП-транзисторов. Журнал Белорусского государственного университета. Физика. 2020;3:55-64. DOI: 10.33581/2520-2243-2020-3-55-64.Odzaev V.B., Panfilenko A.K., Pyatlitski A.N. [Influence of ion implantation of nitrogen on the electrophysical properties of the gate dielectric of power MOS transistors]. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Fizika = Journal of the Belarusian State University. Physics. 2020;3:55-64. DOI: 10.33581/2520-2243-2020-3-55-64. (in Russ.)Vitiello М., Lopez N., Illas F., Pacchioni G. H2 Cracking at SiO2 Defect Centers. The Journal of Physical Chemistry A. 2000;104(20):4674-4684. DOI: 10.1021/jp993214f.Vitiello М., Lopez N., Illas F., Pacchioni G. H2 Cracking at SiO2 Defect Centers. The Journal of Physical Chemistry A. 2000;104(20):4674-4684. DOI: 10.1021/jp993214f.Cartier E., Buchanan D.A., Dunn G.J. Atomic hydrogen-induced interface degradation of reoxidized-nitrided silicon dioxide on silicon. Applied physics letters. 1994;64(7):901-903. DOI: 10.1063/1.110990.Cartier E., Buchanan D.A., Dunn G.J. Atomic hydrogen-induced interface degradation of reoxidized-nitrided silicon dioxide on silicon. Applied physics letters. 1994;64(7):901-903. DOI: 10.1063/1.110990.Cezhou Z., Desheng Z., Baohua S. Hot carrier effect — model, mechanism and effects on CV and IV characteristics in MOS structures. Microelectronics Reliability. 1996;36(4):493-496. DOI: 10.1016/0026-2714(96)00172-2.Cezhou Z., Desheng Z., Baohua S. Hot carrier effect – model, mechanism and effects on CV and IV characteristics in MOS structures. Microelectronics Reliability. 1996;36(4):493-496. DOI: 10.1016/0026-2714(96)00172-2.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.