pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-4-24-31pimi-344Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА КРЕМНИЙ-ДВУОКИСЬ КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ЗОНДОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИИCHARACTERIZATION OF THE ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF SILICON-SILICON DIOXIDE INTERFACE USING PROBE ELECTROMETRY METHODSПилипенкоВ. А.PilipenkoV. А.

ул. Казинца, 121А, г. Минск 220108

СолодухаВ. А.SaladukhaV. A.ФилипеняВ. А.FilipenyaV. A.ВоробейР. И.VorobeyR. I.ГусевО. К.GusevO. K.ЖаринА. Л.ZharinA. L.ПантелеевК. В.PantsialeyeuK. V.СвистунА. И.SvistunA. I.ТявловскийА. К.TyavlovskyA. K.

Адрес для переписки: Тявловский А.К. – Белорусский национальный технический университет, пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013,    e-mail: tyavlovsky@bntu.by

Address for correspondence: Tyavlovsky Andrey – Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus e-mail: tyavlovsky@bntu.by

tyavlovsky@bntu.byТявловскийК. Л.TyavlovskyK. L.ИНТЕГРАЛ – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»БеларусьIntegral JSCBelarusБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20171512201784344356Copyright © Пилипенко В.А., Солодуха В.А., Филипеня В.А., Воробей Р.И., Гусев О.К., Жарин А.Л., Пантелеев К.В., Свистун А.И., Тявловский А.К., Тявловский К.Л., 20172017Пилипенко В.А., Солодуха В.А., Филипеня В.А., Воробей Р.И., Гусев О.К., Жарин А.Л., Пантелеев К.В., Свистун А.И., Тявловский А.К., Тявловский К.Л.Pilipenko V.А., Saladukha V.A., Filipenya V.A., Vorobey R.I., Gusev O.K., Zharin A.L., Pantsialeyeu K.V., Svistun A.I., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/344

Анализ микронеоднородностей в системе кремний-двуокись кремния становится наиболее актуальным в связи с переходом микроэлектронной промышленности к субмикронным проектным нормам и уменьшением толщины подзатворного диэлектрика. Целью исследования являлось развитие методов неразрушающего контроля полупроводниковых пластин на основе определения электрофизических свойств границы раздела кремний-двуокись кремния и их пространственного распределения по поверхности пластины бесконтактными методами зондовой электрометрии.

Характеризация границы раздела кремний-двуокись кремния осуществлялась методами анализа вольт-фарадных характеристик и методом сканирующего зонда Кельвина. Исследования выполнялись на материале пластин кремния КЭФ 4,5 и КДБ 12 ориентации <100> диаметром 100 мм.

Данные исследования показали, что после проведения быстрой термической обработки наблюдается равномерное распределение поверхностного потенциала по площади пластины. При этом имеет место значительное повышение электрического поверхностного потенциала на границе раздела кремний-двуокись кремния. Повышение регистрируемых значений поверхностного потенциала коррелирует с уменьшением плотности заряда на границе раздела кремний-двуокись кремния. Также изменение поверхностного потенциала по площади пластины после предварительной быстрой термообработки позволяет говорить об изменении структуры поверхностного слоя в полупроводниковой структуре. 

Результаты характеризации с использованием методов зондовой электрометрии качественно отражают изменение плотности заряда на границе раздела кремний-двуокись кремния в процессе технологической обработки полупроводниковых пластин. Неоднородности распределения поверхностного потенциала наглядно отражают неоднородности распределения толщины нарушенного в процессе окисления слоя по поверхности пластины и позволяют выявить места локализации дефектов, связанных с нарушением структуры полупроводника у границы раздела кремний-двуокись кремния.

Introduction of submicron design standards into microelectronic industry and a decrease of the gate dielectric thickness raise the importance of the analysis of microinhomogeneities in the silicon-silicon dioxide system. However, there is very little to no information on practical implementation of probe electrometry methods, and particularly scanning Kelvin probe method, in the interoperational control of real semiconductor manufacturing process. The purpose of the study was the development of methods for nondestructive testing of semiconductor wafers based on the determination of electrophysical properties of the silicon-silicon dioxide interface and their spatial distribution over wafer’s surface using non-contact probe electrometry methods.

Traditional C-V curve analysis and scanning Kelvin probe method were used to characterize silicon- silicon dioxide interface. The samples under testing were silicon wafers of KEF 4.5 and KDB 12 type (orientation <100>, diameter 100 mm).

Probe electrometry results revealed uniform spatial distribution of wafer’s surface potential after its preliminary rapid thermal treatment. Silicon-silicon dioxide electric potential values were also higher after treatment than before it. This potential growth correlates with the drop in interface charge density. At the same time local changes in surface potential indicate changes in surface layer structure.

Probe electrometry results qualitatively reflect changes of interface charge density in silicon-silicon dioxide structure during its technological treatment. Inhomogeneities of surface potential distribution reflect inhomogeneity of damaged layer thickness and can be used as a means for localization of interface treatment defects.

структура кремний-двуокись кремниятермообработказонд Кельвинавольт-фарадная характеристиказаряд на границе разделаsilicon-silicon dioxide structurethermal treatmentKelvin probeC-V curveinterface chargeReferencesSchroder, D.K. Semiconductor Material and Device Characterization / D.K. Schroder // Hoboken, New Jersey: John Wiley and Sons, Inc. – 2006. – 790 p. doi: 10.1002/0471749095Schroder D.K. Semiconductor Material and Device Characterization. / Hoboken, New Jersey, John Wiley and Sons, Inc., 2006, 790 p. doi: 10.1002/0471749095Schroder, D.K. Trendsin Lifetime Measurements /D.K. Schroder // Electrochemical Society Proceedings. – 2000. – Vol. 17. – P. 365–383.Schroder D.K. Trends in Lifetime Measurements. Electrochemical Society Proceedings, 2000, vol. 17, pp. 365–383.Everaert, J.L. Contactless Mobility Measurements of Inversion Charge Carriers on Silicon Substrates with SiO and HfO Gate Dielectrics / J.L. Everaert [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 96. – P. 122906. doi: 10.1063/1.3373920Everaert J.L., Rosseel E., Dekoster J., Pap A., Meszaros A., Kis-Szabo K., Pavelka T. Con-tactless Mobility Measurements of Inversion Charge Carriers on Silicon Substrates with SiO2 and HfO2 Gate Dielectrics. Appl. Phys. Lett., 2010, vol. 96, pp. 122906. doi: 10.1063/1.3373920Oborina, E.I. Noncontact interface trap determination of SiO –4H–SiC structures / E.I. Oborina, A.M. Hoff // J. Appl. Phys. – 2010. – Vol. 107. – P. 013703. doi: 10.1063/1.3272081Oborina E.I., Hoff A.M. Noncontact interface trap determination of SiO2–4H–SiC structures. J. Appl. Phys., 2010, vol.107, pp. 013703. doi: 10.1063/1.3272081Schroder, D.K. Contactless Surface Charge Semiconductor Characterization / D.K. Schroder // Materials Science and Engineering: B. – 2002. – Vol. 91–92. – P. 196 – 210. doi: 10.1016/S0921-5107(01)00993-XSchroder D.K. Contactless Surface Charge Semiconductor Characterization. Materials Science and Engineering: B, 2002, vol. 91–92, pp. 196–210. doi: 10.1016/S0921-5107(01)00993-XSchroder, D.K. Silicon Epitaxial Layer Recombination and Generation Lifetime Characterization / D.K. Schroder [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2003. – Vol. 50, no. 4. – P. 906–912. doi: 10.1109/TED.2003.812488Schroder D.K., Choi B.D., Kang S.G., Ohashi W., Kitahara K., Opposits G., Pavelka T., Benton J. Silicon Epitaxial Layer Recombination and Generation Lifetime Characterization. IEEE Transactions on Electron Devices, 2003, vol. 50, no. 4, pp. 906–912. doi: 10.1109/TED.2003.812488Komin, V.V. Status of Non-contact Electrical Measurements / V.V. Komin, A.F. Bello, C.R. Brundle, Y.S. Uritsky // AIP Conference Proceedings. – 2003. – Vol. 683. – P. 782–795. doi: 10.1063/1.1622559KominV.V., BelloA.F., Brundle C.R., Uritsky Y.S. Status of Non-contact Electrical Measurements. AIP Conference Proceedings, 2003, vol. 683, pp. 782–795. doi: 10.1063/1.1622559Воробей, Р.И. Контроль дефектов структуры кремний-диэлектрик на основе анализа пространственного распределения потенциала по поверхности полупроводниковых пластин / Р.И. Воробей [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2013. – № 2(7). – С. 67–72.Vorobey R.I., Zharin A.L., Gusev O.K., Petlitsky A.N., Pilipenko V.A., Turtsevitch A.S., Tyavlovsky A.K., Tyavlovsky K.L. [Study of silicon- insulator structure defects based on analysis of a spatial distribution of a semiconductor wafers’ surface potential]. Devices and Methods of Measurements, 2013, no. 2(7), pp. 67–72 (in Russian).Pogosov, V.V. Effect of deformation on surface characteristics of finite metallic crystals / V.V. Pogosov, O.M. Shtepa // Ukr. J. Phys. – 2002. – Vol. 47, no. 11. – P. 1065–1070.Pogosov V.V., Shtepa O.M. Effect of deformation on surface characteristics of finite metal-lic crystals. Ukr. J. Phys., 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1065–1070.Nazarov, A. Application of Volta potential mapping to determine metal surface defects / A. Nazarov, D. Thierry // Electrochimica Acta. – 2007. – Vol. 52. – P. 7689–7696. doi: 10.1016/j.electacta.2007.05.077Nazarov A., Thierry D. Application of Volta potential mapping to determine metal surface defects. Electrochimica Acta, 2007, vol. 52, pp. 7689–7696. doi: 10.1016/j.electacta.2007.05.077Neaton, J.B. Electronic properties of the Si/SiO interface from first principles / J.B. Neaton, D.A. N.W. Ashcroft // Phys. Rev. Lett. – 2000. – Vol. 85, No. 6. – P. 1298–1301.Neaton J.B., Muller D.A., Ashcroft N.W. Electronic properties of the Si/SiO2 interface from first principles. Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 85, no. 6, pp. 1298–1301.Технология СБИС : в 2 т. / под ред. С. Зи. – М. : Мир, 1984. – Т. 1. – 405 с.Cze S. [SBIC technology]. Vol. 1. Mir Pabl., Moscow, 1984, 405 p. (in Russian).Zharkikh, Yu.S. Mechanic-electrical transformations in the Kelvin method / Yu.S. Zharkikh, S.V. Lysochenko // Applied Surface Science. – 2017. – Vol. 400. – P. 71–76. doi:10.1016/j.apsusc.2016.12.085Zharkikh Yu.S., Lysochenko S.V. Mechanic- electrical transformations in the Kelvin method. Applied Surface Science, 2017, vol. 400, pp. 71–76. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.12.085Тявловский, А.К. Математическое моделирование дистанционной зависимости разрешающей способности сканирующего зонда Кельвина / А.К. Тявловский // Приборы и методы измерений. – 2012. – № 1(4). – С. 30–36.Tyavlovsky A.K. [Mathematical modeling of a distance dependence of a scanning Kelvin probe lateral resolution]. Devices and Methods of Measurements, 2012, no. 1(4), pp. 30–36 (in Russian).Gorban, A.P. Investigation of the fast surface state spectrum of MIS structures by differential C-V method / A.P. Gorban, V.G. Litovchenko, P.Ch. Peikow // Phys. State Sol. (a). – 1972. – Vol. 10, no. 1. – Р. 289–292.Gorban A.P., Litovchenko V.G., Peikow P.Ch. Investigation of the fast surface state spectrum of MIS structures by differential C-V method. Phys. State Sol. (a), 1972, vol. 10, no. 1, pp. 289–292.Горлов, М.И. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Л. Ануфриев. – Минск : Бел. наука, 2006. – 367 с.Gorlov M.I., Yemelyanov V.A., Anufriev D.L. [Technological rejection and diagnostic tests of semiconductor production]. Minsk, Belaruskaya Navuka Pabl., 2006, 367 p. (in Russian).Боброва, Е.А. Особенности вольт-фарадных характеристик МОП структур, обусловленные зарядом в окисле / Е.А. Боброва, Н.М. Омельяновская // ФТП. – 2008. – Т. 42, вып. 11. – С. 1380–1383.Bobrova Ye.A., Omelyanovskaya N.M. [MOS structures capacitance-voltage characteristics peculiarities due to oxide charge]. Fizika i Technika Poluprovodnikov, 2008, vol. 42, iss. 11, pp. 1380–1383 (in Russian).Александров, О.В. Модель образования фиксированного заряда в термическом диоксиде кремния / О.В. Александров, А.И. Дусь // ФТП – 2011. – Т. 45, вып. 4. – С. 474–480.Alexandrov O.V., Dus’ A.I. [Model of fixed charge formation in thermal silicon dioxide]. Fizika i Technika Poluprovodnikov, 2011, vol. 45, iss. 4, pp. 474– 480 (in Russian).Herbert, G. Origin of the fixed charge in thermally oxidized silicon / G. Herbert // J. Electrochem. Soc. – 1977. – Vol. 124, no. 2. – P. 314–317.Herbert G. Origin of the fixed charge in thermally oxidized silicon. J. Electrochem. Soc., 1977, vol. 124, no. 2, pp. 314–317.Holiney, R.Yu. Investigation of the undersurface damaged layers in silicon wafers / R.Yu. Holiney, L.A. Matveeva, E.F. Venger // Semiconductor phys., quantum electronics and optoelectronics. – 1999. – Vol. 2, no. 4. – P. 10–12.Holiney R.Yu., Matveeva L.A., Venger E.F. Investigation of the undersurface damaged layers in silicon wafers. Semiconductor phys., quantum electronics and optoelectronics, 1999, vol. 2, no. 4, рp. 10–12.Хатько, В.В. Структуры металл-диоксид кремния-полупроводник для интегральных микросхем / В.В. Хатько. – Минск : БНТУ, 2009. – 234 с.Khatko V.V. Struktury metal-dioksid kremniya- poluprovodnik dlya integral’nykh mikroskhem [Metal- silicon dioxide-semiconductor structures for integrated circuits]. Minsk, BNTU Publ., 2009, 234 p. (in Russian).Румак, Н.В. Диэлектрические пленки в твердотельной микроэлектронике / Н.В. Румак, В.В. Хатько. – Минск : Навука i тэхнiка, 1990. – 192 сRumak N.V., Khatko V.V. [Dielectric films in solid-state microelectronics]. Minsk, Navuka i technika Publ., 1990, 192 p. (in Russian).

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