2
Введение.............................................................................4
ГЛАВА 1. Гетерогенность межфазовой границы раздела и её влияние на свойства
структур диэлектрик-полупроводник.............................................8
1.1 Граница раздела диэлектрик-полупроводник, поверхностные состояния.............8
1.2 Методы исследования МДП-структур.............................................12
1.3 Неоднородности границы раздела диэлектрик-полупроводник......................15
1.3.1 Флуктуации поверхностного потенциала.........................................15
1.3.2 Туннельная модель перезарядки приграничных состояний.........................16
1.3.3 Влияние неоднородностей на результаты, полученные емкостными методами........17
1.4 Эксперименты по применению метода нормированной проводимости для
исследования свойств МДП-структур............................................19
1.5 МДП-транзистор...............................................................22
1.5.1 Влияние флуктуаций поверхностного потенциала на работу МДП-траизистора.......24
1.5.2 Методы исследования МДП-транзисторов.........................................25
1.5.3 Основные экспериментальные результаты, полученные при помощи методов
подпороговых харатеристик и зарядовой накачки................................28
1.6 Автоматизация научного эксперимента..........................................32
1.6.1 Основные приборные интерфейсы, используемые для автоматизации эксиеримента.ЗЗ
1.6.2 Современные автоматизированные системы.......................................35
1.7 Задачи работы................................................................36
ГЛАВА 2. Экспериментальные методики и программное обеспечение для исследования
электрофизических характеристик гетерогенных МДП-приборов....................38
2.1 Измерение кривых нормированной проводимости..................................38
2.1.1 Метод кривых нормированной проводимости......................................38
2.1.2 Экспериментальная установка для измерения кривых нормированной проводимости. 42
2.1.3 Программное обеспечение для измерений С-У и в-У зависимостей МДП-структур.44
2.2 Измерение подпороговых ВАХ и кривых зарядовой накачки МДП-транзисторов.......47
2.2.1 ВАХ транзистора..............................................................47
2.2.2 Метод подпороговых ВАХ.......................................................50
2.2.3 Метод зарядовой накачки......................................................51
2.2.4 Автоматизированная установка для исследования МДП-транзисторов...............56
2.3 Многофункциональная интерфейсная плата.......................................58
2.4 Программное обеспечение для проведения измерений подпороговых характеристик и
кривых зарядовой накачки.....................................................64
2.5 Программное обеспечение для расчёта параметров МДП-транзисторов методами
подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки........................67
2.6 Исследуемые образцы..........................................................68
2.7 Выводы по Главе 2............................................................70
ГЛАВА 3. Моделирование электронных процессов на межфазовой границе раздела с
учетом гетерогенности........................................................72
3.1 Модели неоднородной границы раздела диэлектрик-полупроводник.................72
3.1.1 Модель флуктуаций поверхностного потенциала..................................72
3.1.2 Модель заглубления электронных состояний в диэлектрик........................75
3.1.3 Влияние неоднородностей границы раздела на кривые нормированной проводимости. 77
3.1.4 Модификация метода нормированной проводимости для разделения пространственно
неоднородного распределения ПС и флуктуаций поверхностного потенциала........80
3.2 Модели для описания неоднородного транзистора................................94
3.2.1 Моделирование подпороговых характеристик неоднородного транзистора...........94
3
3.2.2 Моделирование кривых зарядовой накачки неоднородного транзистора..............96
3.3 Выводы по Главе 3............................................................100
Г ЛАВА 4. Экспериментальное исследование электрофизических характеристик МДП-
приборов.....................................................................102
4.1 Исследования транзисторов методами подпороговых ВАХ и зарядовой накачки.... 102
4.1.1 Тестовые измерения...........................................................102
4.1.2 Исследование влияния лавинной инжскции.......................................103
4.1.3 Исследование крупномасштабного зарядового дефекта............................105
4.1.4 Исследование влияния рентгеновского и ультрафиолетового облучения............107
4.1.5 Исследование МДП-структур и транзисторов, реализованных на пластине..........109
4.2 Исследования МДП-структур методом нормированной проводимости.................111
4.3 Выводы по Главе 4............................................................114
Заключение.........................................................................116
Список цитируемой литературы........................................................120
4
Введение
Подавляющее большинство современных микроэлектронных устройств содержат в себе структуры, использующие свойства контакта диэлектрик-полупроводник. Зависимость характеристик полупроводниковых приборов от электронных процессов на границе раздела является основной причиной появления нестабильности в их работе и необратимых изменений их параметров приводящих к полевой деградации и преждевременному выходу приборов из строя. В связи с этим изучение характеристик границы раздела диэлектрик-полупроводник (характера и распределения дефектов в окисле и на поверхности полупроводника) является актуальной научно-практической задачей.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что предложена методика, учитывающая различные механизмы влияния неоднородностей на характеристики структур металл-диэлектрик-полупроводник. В настоящее время отсутствуют исчерпывающие модели границы раздела диэлектрик-полупроводник. Создание таких моделей в теоретическом плане даёт возможность дальнейшего развития представлений об электрофизических процессах, протекающих на границе, а в практическом плане позволяет существенным образом улучшить параметры приборов, созданных на базе таких структур.
Цель настоящей работы заключается в создании модели, наиболее полно отражающей влияние гетерогенности МФГ, созданной как вследствие различных технологических процессов, так и в результате внешних воздействий на электрофизические свойства ДП структур.
В соответствии с целью работы нами были поставлены следующие задачи:
1. Создать автоматизированную установку для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик.
2. Разработать методику и создать программное обеспечение для расчёта кривых нормированной проводимости и определения параметров неоднородности границы раздела в МДП-структурах.
5
3. Создать автоматизированную установку для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки МДП-транзисторов.
4. Разработать методики для разделения влияния ПС и неоднородности границы раздела диэлектрик-полупроводник на характеристики МДП-транзисторов.
5. Провести апробацию и верификацию моделей электронных процессов, учитывающих гетерогенность границы раздела полупроводник-диэлектрик.
6. Провести исследование влияния различных электрофизических воздействий на формирование ПС и флуктуаций поверхностного потенциала на границе раздела диэлектрик-полупроводник.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Предложена методика корректного определения плотности поверхностных состояний при наличии пространственно неоднородного их распределения и дисперсии поверхностного потенциала на границе раздела полупроводник-диэлектрик с использованием метода нормированной проводимости.
2. Исследовано влияние различных режимов анодного окисления кремния на величину дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний на границе раздела в структурах металл-диэлектрик-полупроводник.
3. Предложена методика определения значения дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний в транзисторных структурах методами подпороговых вольтамперных характеристик и зарядовой накачки.
4. Предложена методика определения параметров крупномасштабного зарядового дефекта по виду кривой тока зарядовой накачки. Под таким дефектом понимается участок подзатворной области, в котором величина встроенного в окисел заряда значительно отличается от средней. Методика позволяет определить площадь деградированного участка и величину встроенного заряда.
5. Обнаружено, что лавинная инжекция горячих носителей заряда приводит к образованию крупномасштабного зарядового дефекта, причём изменение
6
свойств границы раздела происходит не сразу, а спустя некоторое время после воздействия. Облучение рентгеновским и УФ-излучением приводит к практически мгновенному возникновению дефектов поверхности. Наличие внешнего электрического поля в процессе облучения приводит к тому, что дефекты оказываются метастабильными и наблюдается частичная релаксация структуры с течением времени к исходному состоянию.
В результате проведённых исследований были получены новые научные результаты, которые подтвердили актуальность темы и позволили сформулировать основные защищаемые положения:
1. Для определения плотности поверхностных состояний и величины дисперсии поверхностного потенциала предлагается воспользоваться методом операторных изображений. Для проверки корректности разделения предложено использовать следующие параметры кривой нормированной проводимости: положение точек максимумом и перегиба и максимальное значение производной. Данная методика чувствительна к изменению условий приготовления МДП-структур и позволяет определить плотность ПС и величину дисперсии поверхностного потенциала с точностью ~ 5%.
2. Предложена методика определения величины заряда и площади участка крупномасштабного зарядового дефекта, основанная на анализе кривой зарядовой накачки. Присутствие крупномасштабного зарядового дефекта, локализованного в окисле проявляется на кривой зарядовой накачки как наличие двух четко различимых плато.
3. При воздействии лавинной инжекцией возникает крупномасштабная область зарядовой нестабильности с характерным временем релаксации ~ 105с.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработана и создана автоматизированная установка для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик структур металл-диэлектрик-полупроводник.
7
2. Разработано программное обеспечение для обработки кривых нормированной проводимости и определения глубины залегания электронных состояний в диэлектрике и величины дисперсии поверхностного потенциала на основе анализа характерных точек кривой и метода преобразования Фурье.
3. Разработана и создана автоматизированная установка для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки.
4. Разработано программное обеспечение для расчета параметров неоднородности границы раздела при помощи метода зарядовой накачки.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на всероссийской конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», (г. Санкт-Петербург, 4-6 февраля 2002 г.); на V всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, (г. СПб, 2-5 декабря 2003); на VII международной конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 14-18 октября 2003); на VIII международной конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 29 мая - 3 июня 2005); на XI всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, (г. Екатеринбург, 24-31 марта 2005 г.); на конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Демидовские чтения), (г. Москва, 25-28 февраля 2006 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, включая 2 статьи и 8 тезисов докладов.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 119 страницах, проиллюстрирована 75 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
ГЛАВА 1. Гетерогенность межфазовой границы раздела и сё влияние на свойства структур диэлектрик-полупроводник.
В данной главе рассмотрены существующие в настоящее время в литературе данные о феноменологии границы раздела полупроводник-диэлектрик, описании дефектов этой границы и методов исследования приборов на основе МДП-структур, а также состояние автоматизации физического эксперимента.
1.1 Граница раздела диэлектрик-полупроводник, поверхностные состояния.
Электронные процессы, протекающие вблизи поверхности и границ полупроводников с другими средами, привлекают пристальное и неослабевающее внимание исследователей с момента зарождения полупроводниковой электроники. Интерес к приповерхностным электронным процессам обусловлен важной особенностью полупроводниковых материалов - существенным влиянием строения, электронного состояния и способов обработки поверхности на электрические, фотоэлектрические и оптические свойства полупроводников.
Основная причина повышенной чувствительности полупроводника к состоянию поверхности состоит в том, что в ограниченном кристалле возникают энергетические уровни, локализованные непосредственно у поверхности и играющие роль ловушек электронов и дырок [55, 38, 112]. Поверхностные состояния (ПС) - это электронные состояния, пространственно локализованные на границе раздела полупроводника с какой-либо средой, энергетически расположенные в запрещенной зоне и изменяющие свое зарядовое состояние в зависимости от положения уровня Ферми на поверхности [106]. По энергетическому положению уровней в запрещенной зоне полупроводника различают моно-энергетические, и квазинепрерывно распределенные, образующие континуум ПС.
По физической природе ПС разделяют на 4 основных типа: Тамма, Шокли; ПС, обусловленные дефектами кристаллической решётки на поверхности и ПС, обусловленные примесью на поверхности полупроводника [93,87, 76]. По зарядовому состоянию различают донорные и акцепторные ПС. Многочисленные
9
эксперименты [36, 28, 96] показали, что в кремниевых структурах ПС обусловлены Рь-центрами - трёхвалентными атомами кремния, имеющими одну ненасыщенную валентную связь (-^^Лз). Рь-центры амфотерны, и проявляют себя как доноры в нижней половине запрещённой зоны кремния и как акцепторы в верхней [36,28]. Также при легировании углеродом кремния возможно образование бистабильных состояний С^, образованных соединением подвижного С1 и неподвижного С3 дефекта [81]. При разрушении напряженных 81-0 связей в переходном слое 81-8Ю2 при захвате на них неравновесных дырок образуются дефекты двух типов Е-центр (8Г) и немостиковый кислород (0-81-0з) [81, 17]. Согласно [17] Е-центр отвечает за фиксированный заряд в окисле, а немостиковый кислород обусловливает создание ПС. Во многих практически важных случаях на поверхности присутствуют и донорные и акцепторные ловушки в приблизительно равных и достаточно высоких концентрациях. Преобладание носителей определенного знака вблизи поверхности в ОПЗ обуславливает их преимущественный захват на ПС и определяет соответствующий знак СЫ-
ПС с <3»<0
«агптсрнога типа / ■ -
угО,
(3*5>0
' у$>0.
пс «Ж/ = и| 53 0(^--
донорноготюа .............р £
-----------------Еу
г
Рис. 1.1. Зонная диафамма ОПЗ полупроводника р-типа, показывающая заполнение ПС при различных изгибах зон. - поверхностный потенциал, (2^ - заряд ПС, ф0 - уровень Ферми, Ес - дно зоны проводимости, Е1- середина зоны, Е - энергия Ферми, Еу- верх валентной зоны.
Захват свободных электронов на поверхностные ловушки приводит к образованию поверхностного заряда <0 и равного ему по величине положительного объемного заряда, связанного с некомпенсированными донорами Рзс= WND+, где \У- ширина приповерхностной области пространственного заряда. На энергетической диаграмме (рис. 1.1) это отображается в виде изгиба зон, которому соответствует приповерхностный потенциальный барьер \|/3. С этим зарядом связано обычно сильное (~105 В/см) электрическое поле, проникающее на некоторую глубину в объем полупроводника и кардинально изменяющее условия жиз-
10
ни носителей заряда, что проявляется во многих физических явлениях [93]. В прикладном отношении особенно важно то, что поверхностные ловушки во многих случаях ответственны за нежелательные изменения характеристик и нестабильность параметров полупроводниковых приборов [87,90].
К числу важных технологических факторов, стимулирующих развитие исследований границ раздела полупроводников, относится общая тенденция микроэлектроники к миниатюризации приборов и элементов интегральных схем [62, 72]. По мере уменьшения размера Ь активного слоя в полупроводниковом приборе объем этого слоя уменьшается пропорционально Ь3, а поверхность -пропорционально Ь2. Это приводит к увеличению "веса" поверхности и ее влияния на объемные процессы. Кроме того, атомарно-чистые поверхности и резкие границы раздела применяются при создании полупроводниковых структур, в которых используются электронные явления в сверхтонких слоях и с которыми связано перспективное направление развития электроники - нанотехнология [29]. Это приводит к необходимости разработки специальных методов контроля и управления электронными свойствами поверхности полупроводника и технологии нанесения диэлектрика, которые бы обеспечили минимальное число дефектов вблизи МФГ. В настоящее время эта задача для большинства полупроводниковых материалов остается до конца нерешенной.
В работе [90] было отмечено, что при разработке светоизлучающих приборов (полупроводниковые лазеры, светодиоды), интенсивность излучения тем выше, чем ниже плотность поверхностных ловушек. Исследования показали, что основной причиной гашения люминесценции является безызлучательная рекомбинация электронов и дырок, спровоцированная ПС [90]. Процесс поверхностной рекомбинации с участием глубоких ловушек в отличие от излуча-тельной межзонной рекомбинации является двухступенчатым. Он состоит из захвата электронов из зоны проводимости на пустой центр и захвата дырки из валентной зоны на заполненный центр [93]. Энергия, высвобождающаяся при переходе электрона в низкоэнергетическое состояние, не излучается в виде све-
- Київ+380960830922