Estudio de la estabilidad térmica del a-SiNxH producido mediante la técnica de plasma ECR-CVD

Resumen

[ESP]La técnica de deposición química en fase de vapor activada por resonancia ciclotrónica de electrones (ECR-CVD) ha sido empleada para crecer láminas delgadas de nitruro de silicio hidrogenado (SiNx:H) de varias composiciones. Este dieléctrico de elevada permitividad tiene numerosas aplicaciones en microelectrónica, y reúne algunas características adecuadas para sustituir o complementar al óxido de silicio como aislante de puerta de transistores de efecto campo de estructura MOS en aquellos casos en que la continua reducción de las dimensiones laterales de los dispositivos conduce a alcanzar el mínimo espesor de óxido tolerable. Con posterioridad al crecimiento las muestras fueron sometidas a tratamientos térmicos rápidos (RTA) a temperaturas comprendidas entre 300 ºC y 1050 ºC con el objetivo de estudiar la evolución de las propiedades del SiNx:H en función de la temperatura de estos procesos. Un amplio número de técnicas analíticas y espectroscópicas han sido utilizadas para analizar el comportamiento del SiNx:H frente a la temperatura. La composición ha sido estudiada mediante técnicas de análisis de haces de iones: RBS y ERDA. La primera de ellas ha sido utilizada para determinar la proporción nitrógeno a silicio en las láminas, mientras que la segunda permite conocer el contenido de hidrógeno (que no puede ser detectado por RBS). La estructura de enlaces del material ha sido analizada mediante espectroscopia infrarroja, mientras que las imperfecciones o defectos presentes en la red (enlaces de silicio no saturados) fueron estudiados por resonancia de espín electrónico (ESR). Las propiedades de absorción óptica (índice de refracción y coeficiente de absorción) también han sido consideradas, estudiándose el borde de absorción de Urbach mediante espectroscopia en el ultravioleta-visible. Por último se realizaron estructuras metal-nitruro-silicio para investigar las características eléctricas y la densidad de centros de captura de carga en la intercara mediante medidas I-V y C-V. Las conclusiones del trabajo han permitido poner de manifiesto el papel determinante que desempeña el hidrógeno en las propiedades del SiNx:H. El hidrógeno se puede encontrar enlazado tanto a silicio como a nitrógeno, así como atrapado en las microcavidades de la red sin formar enlaces. Para temperaturas elevadas de RTA se producen reacciones de deshidrogenación que deterioran las características eléctricas y el orden estructural de la red de enlaces. El tipo de reacción y la temperatura a la que se produce dependen de las concentraciones relativas de enlaces Si-H y N-H. A temperaturas intermedias y bajas de RTA tienen lugar reacciones de incorporación y transferencia de hidrógeno, así como procesos de relajación estructural de las constricciones impuestas por los ángulos de enlace, todo lo cual se refleja tanto en el borde de absorción óptica como en las características de la intercara con el silicio. [ENG]Silicon nitride thin films with various compositions and hydrogen content (SiNx:H) have been grown by the electron cyclotron resonance chemical vapour deposition technique (ECR-CVD). This material is investigated due to its higher dielectric constant compared to silicon oxide, which allows increasing the gate dielectric thickness in MOS transistors and hence reduces gate leakage currents. After deposition, the films were subjected to rapid thermal annealing (RTA) treatments at temperatures between 300 ºC and 1050 ºC, with the objective of studying the evolution of the SiNx:H properties as a function of temperature. Composition was measured by RBS (Rutherford Back-Scattering spectroscopy) and heavy-ion ERDA (elastic recoil detection analysis), which allow the determination of the nitrogen to silicon ratio (stoichiometry) and hydrogen content of the samples. The bonding structure of the material has been analyzed by infrared spectroscopy, while the number of defects (silicon dangling bonds) was determined by electron spin resonance (ESR). The optical properties (refraction index and absorption coefficient) were measured by ultraviolet-visible-near infrared spectroscopy in order to explore the Urbach absorption edge and bandgap states. Finally, metal-SiNx:H-silicon structures were made to investigate the electrical characteristics and the density of interface states by I-V and C-V measurements. The results from this set of measurements have shown that the content and bonding of hydrogen has a key role in determining the properties of SiNx:H. Hydrogen can be bonded to silicon and nitrogen, as well as trapped in micro-cavities of the structure in the form of non-bonded hydrogen. At high annealing temperatures, dehydrogenation reactions take place that deteriorate the electrical characteristics and the structural order of the bond network. Depending on the relative concentrations of Si-H and N-H, the type of reaction and its threshold temperature are different. Below this threshold, at low and moderate annealing temperatures, bond reactions produce the incorporation of non-bonded hydrogen and the transfer of hydrogen from N-H to Si-H bonds. This is accompanied by a structural relaxation of the bond network, which is noticeable both in the optical absorption edge and in the electrical characteristics of the interface. Interestingly, the same effect of hydrogen transfer from N-H to Si-H bonds has been found when the source of energy is the ion beam used in the ERDA measurements.