Procesos de oxidación de Si mediante plasma de resonancia ciclotrónica de electrones

Abstract

Se han fabricado estructuras MIS sobre Si (100) mediante un proceso en dos pasos: una primera exposición del sustrato de Si a un plasma ECR de oxígeno, que da lugar a la obtención de una capa de SiOx (en adelante PO-SiOx), seguido de un depósito de nitruro de silicio (SiN1.55:H) mediante plasma ECR. La estructura MIS resultante es de la forma Al/SiN1.55:H/PO‑SiOx/Si. Los dispositivos han sido caracterizados mediante la medida simultánea de las capacidades a alta y baja frecuencia, lo que permite conocer la calidad de la intercara PO‑SiOx/Si, calcular los espesores de la capa de PO‑SiOx y la velocidad de crecimiento del SiNx:H. Para caracterizar el proceso de oxidación se realizaron varias series de muestras variando en cada una un parámetro del proceso. Estos parámetros fueron: el tiempo de depósito del SiNx:H, el tiempo de oxidación, la temperatura del sustrato y el flujo total de O2. Asimismo, se ha estudiado la estructura de enlaces del dieléctrico apilado mediante espectroscopia infrarroja. El espectro del dieléctrico apilado mostró la superposición de dos picos: uno de menor intensidad asociado al PO‑SiOx con el máximo en 1056 cm-1, y otro debido al SiN1.55:H con máximo en 860 cm-1. Estas medidas mostraron que la ley que rige el crecimiento del PO‑SiOx es dSiO = 2.7 tox 0.26 nm donde dSiO es el espesor de la capa de PO-SiOx y tox es el tiempo de oxidación en min. Por lo que respecta a las características eléctricas, las estructuras presentaron mínimos de la densidad de trampas en la intercara (Dit) cercanos a 1011 eV-1cm-2. Este valor es inferior al que presentaron las estructuras sin oxidar, del tipo SiN1.55:H/Si. Además, los dispositivos apilados mostraron un barrido del nivel de Fermi mayor y una histéresis prácticamente despreciable.

MIS structures have been fabricated on Si (111) by a two-step process: first an exposition of the Si substrates to an ECR oxygen plasma was performed, which yields a layer of SiOx (in the following PO-SiOx); this process was followed by an ECR plasma silicon nitride deposition (SiN1.55:H). The resulting MIS structure is Al/SiN1.55:H/PO-SiOx/Si. Devices have been characterized by the simultaneous measurement of the capacitance at high and low frequencies. This measurement lets us know the PO-SiOx/Si interface quality, calculate the thickness of the PO-SiOx layer and the growth rate of SiN1.55:H. To characterize the oxidation process some series of samples were prepared. In each series a process parameter was varied. These parameters were: the SiN1.55:H deposition time, the ECR plasma oxidation duration, the substrate temperature and the total oxygen flux. The bonding structure of the stacked dielectric has been studied by infrared spectroscopy. The stacked dielectrics spectra showed the super-position of two peaks: a less intense peak associated to the PO-SiOx layer with its maximum in 1056 cm(-1), and another one due to the SiN1.55:H film with its maximum in 860 cm(-1). These measurements showed that the PO-SiOx growth law is d(SiO) = 2.71 t(ox)(026) nm where d(SiO) is the PO-SiOx layer thickness and t(ox) is the oxidation time in min. Concerning electrical characteristics, stacked MIS devices showed interface trap density minimums (D-u) close to 10(11) eV(-1)cm(-2). This value is inferior to the one that non-oxydized devices (Al/SiN1.55:H/Si) show. Also, stacked devices presented higher Fermi level sweeps and an electrical hysteresis almost insignificant.