2
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень используемых сокращений ....................................... 5
Список условных обозначений ............................................ 6
Введение ............................................................... 8
1. Методика получения образцов и измерения их характеристик........ 15
1.1. Методика изготовления кремниевых МДП-структур с диэлектрическими плёнками из оксидов гадолиния, иттербия, лютеция и самария .... 15
1.2. Методика измерения электрических характеристик структур и экспериментальные установки для проведения измерений ................... 20
1.3. Методика исследования фотоэлектрических характеристик МДП-структур и экспериментальные у становки ......................... 27
2. Анализ вольтамперных зависимостей и особенностей электрического пробоя структур МДП с оксидами редкоземельных металлов ....................... 31
2.1. Вольтамперные характеристики систем АІ-ОРЗЗ-Бі ................ 31
2.2. Исследование характеристик и механизма электрического пробоя плёнок ОРЗЭ в кремниевых МДП-структурах. Кинетические характеристики электрического пробоя................................................ 37
3. Исследование свойств границы раздела кремний - ОРЗЭ методом высокочастотных вольтфарадных характеристик и кинетических зависимостей
ёмкости ............................................................... 49
3.1. Анализ вольтемкостных характеристик ........................ 49
3.2. Анализ зависимостей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь от прикладываемого напряжения ............................ 55
3.3. Влияние технологии изготовления диэлектрических плёнок на электрические характеристики МДП-структур ........................... 59
3.4. Кинетические зависимости ёмкости при неравновесном истощении поверхности полупроводника основными носителями заряда. Свойства іранииьі раздела кремний - ОРЗЭ ................................. 63
3
3.5. Влияние света на генерационно-рекомбинационные процессы в кремниевых МДП-структурах с плёнками оксида Sm и Yb .............. 74
3.6. Зависимость генерационных параметров МДП-структур от технологических условий изготовления диэлектрической плёнки.............. 77
4. Исследование внутренней фотоэмиссии носителей заряда в МДП-структурах
с диэлектриком из оксидов редкоземельных элементов ..................... 80
4.1. Метод фотоинжекции и аналитическое выражение для фотоинжек-ционного тока .................................................... 80
4.2. Исследование внутренней фотоэмиссии носителей заряда в МДП-структурах с диэлектриком из ОРЗЭ методом спектральных зависимостей фототока .................................................... 88
4.3. Исследование внутренней фотоэмиссии носителей заряда в МДП-структурах с диэлектриком из ОРЗЭ методом вольтаических зависимостей фототока .................................................... 94
5. Особенности захвата носителей заряда в кремниевых МДП-систсмах под
действием излучения.................................................. 106
5.1. Закономерности накопления пространственного заряда в МДП-структурах под действием облучения ............................. 106
5.2. Исследование особенностей накопления заряда под влиянием ультрафиолетового излучения в кремниевых МД11-системах с ОРЗЭ ........ 114
6. Исследование параметров ловушек в диэлектрических слоях ОРЗЭ ....... 122
6.1. Методика определения локализации и плотности захваченного заряда в объёме диэлектрика ............................................. 122
6.2. Изучение активных центров захвата заряда в диэлектрических плёнках оксидов Sm, Gd, Yb .............................................i 29
6.3. Определение сечения захвата и плотности электронных ловушек в объеме диэлектрических пленок оксида самария и иттербия ............ 133
6.4. Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в диэлектрических плёнках оксидов самария и иттербия ........................ 138
6.5. Пространственное распределение захваченного заряда ............. 141
Заключение и основные выводы Синеок использованных источников
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
БИС- большая интегральная схема,
ВАХ- вольт-амперная характеристика,
ВФХ- вольт-фарад пая характеристика,
ДП- диэлектрик - полупроводник,
дм- диэлектрик - металл.
мдп- металл-диэлектрик-нолуироводник,
Ме - металл,
МОП- металл-оксид-полупро водник.
ОПЗ- область пространственного заряда,
ОРЗЭ- оксид редкоземельного элемента,
пс- поверхностные состояния.
РЗЭ- редкоземельный элемент,
РЗМ- редкоземельный металл,
СБИС- сверхбольшая ннтефальная схема,
УФ- ультрафиолетовый (-ое).
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
т - время задержки пробоя,
є - диэлектрическая проницаемость,
со - круговая частота прикладываемого сигнала,
р • удельное сопротивление диэлектрика,
- время жизни неосновных носителей заряда.
Уз - поверхностный потенциал,
ДУ - сдвиг вольтаических зависимостей по оси напряжения,
С - ёмкость МДП-структуры,
Сл - ёмкость диэлектрика.
<1 - толщина диэлектрика,
Е - напряжённость электрического ноля,
Ед - энергия активации проводимости,
Епр напряжённость поля пробоя,
- уровень энергии в полупроводнике, соответствующий середине
прещённой зоны,
о - проводимость,
Ь - постоянная Планка,
I - сила тока,
и - фототок,
Ку - скорость нарастания пилообразного напряжения,
ь - длина свободного пробега электрона в диэлектрике,
Пі - собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике,
N58 - плотность поверхностных состояний,
Рс - мощность падающего излучения,
Я - заряд электрона,
058 - заряд поверхностных состояний,
Рн - нагрузочное сопротивление,
7
Э - скорость поверхностной генерации,
Бэл - площадь электродов,
I - время,
Т - температура,
- тангенс угла диэлектрических потерь, Тт - время релаксации ёмкости,
V - напряжение,
\ЛГ1Р - напряжение пробоя,
\\г - область пространственного заряда,
Хс - положение центроида заряда.
ВВЕДЕНИЕ
8
В последнее время наблюдается вес возрастающий интерес к изучению физики поверхности полупроводников, к поиску новых, перспективных материалов для микро- и нано-технологии. Это связано с необходимостью микроминиатюризации электронных устройств, повышения уровня их интегрированности и надёжности. Благодаря внедрению в производство планарной и плёночной технологии приборов, развитие современной микроэлектроники невозможно представить без понимания физической природы процессов, происходящих в них на молекулярном и атомном уровне.
К числу устройств, наиболее широко используемых в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, относятся контакты металл-диэлектрик-полупроводник. Они применяются в полевых транзисторах с изолированным затвором, нелинейных конденсаторах (варикапах и фотоварикапах), приборах с зарядовой связью, элементах постоянной репрограммируемой памяти, логических устройствах, электрических и тепловых переключателях и др. Таким образом, сложные слоистые системы на базе структур МДП приобретают исключительную актуальность, поскольку их смело можно считать основой современной микроэлектроники и полупроводникового приборостроения.
Поэтому работы учёных и инженеров в этой области направлены как на изучение электрофизических свойств систем МДП, так и на поиск новых материалов, которые бы позволили улучшить характеристики приборов на их основе. Среди основных путей улучшения параметров МДП-приборов и элементов интегральных схем (БИС и СБИС) следует выделить получение высококачественной границы раздела полупроводника с диэлектрической пленкой, использование диэлектрических материалов с лучшими характеристиками (которые бы позволяли увеличить крутизну передаточной характеристики МОП-транзисторов), совершенствование методов нанесения диэлектрических пленок.
Наиболее широко используемым диэлектриком при изготовлении МДП-структур является Б'Юг, поскольку это естественный окисел полупроводниковой подложки, составляющей основу бесспорного большинства полупроводниковых приборов и интегральных схем. Однако, возможности применения оксида кремния 01раничсны. Например, это вызвано проблемами, связанными с надёжностью устройств с уменьшенными размерами. Межповерхностные характеристики тонкого 8Ю2, необходимого для применения в таких устройствах, выращенного термическим окислением Э1 подложки, не позволяют получить структуру, свободную от микропор и внутренних напряжений. [1] Высокие значения электрического поля в изоляторе и плотности точечных дефектов ограничивают толщину 8Ю2 до 65-70 нм [2].
В связи с этим возрастает интерес к поиску новых диэлектрических материалов с улучшенными свойствами, которые бы позволили эффективно увеличивать плотность заряда, хранимого в МДП-конденсаторе.
К числу этих свойств можно отнести, кроме высокого значения диэлектрической проницаемости: 1) достаточно высокую электрическая прочность;
2) низкие токи утечки при рабочих напряжениях; 3) низкие значения диэлектрических потерь; 4) минимальная частотная зависимость в частотном диапазоне от 0 до ГГц; и 5) технологическая совместимость с существующими процессами в производстве кремниевых полупроводниковых приборов.
К таким материалам можно отнести оксиды редкоземельных элементов, которые характеризуются большими значениями диэлектрической проницаемости (8| = 8 - 20, для сравнения 85102 = 3,9), высокой электрической прочностью, химической и термической стойкостью, расширенными функциональными возможностями [3]. Первоначальные исследования [2, 4, 5] показали, что, например, плёнки оксида иттрия = 14 - 17) могут служить хорошей альтернативой общепринятым плёнкам 8Ю2. В связи с этим чрезвычайный интерес представляет более глубокое изучение свойств оксидов редкоземельных элементов, как основы структур МДП, поскольку многие ключевые характеристики таких систем до сих пор остаются невыясненными.
В связи с этим целью данной работы является изучение электрофизических и фотоэлектрических свойств структур - ОРЗЭ - Ме, где в качестве диэлектрика используются оксиды таких редкоземельных металлов, как самарий (БшгОз), иттербий (УЬгОз), гадолиний (0<120з) и лютеций (1л12Оз), изучение фундаментальных параметров МДП-снстем, исследование качества границы раздела диэлектрик - полупроводник при различных температурах выращивания диэлектрической плёнки, построение энергетической зонной диаграммы структур, определение параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Выяснение механизма электропроводности кремниевых МДП-структур с диэлектриком из оксидов самария, иттербия, лютеция и гадолиния.
2. Исследование кинетических характеристик электрического пробоя и темпе-. ратурной зависимости пробивного поля для диэлектрических пленок оксидов РЗЭ в кремниевых МДП-структурах.
3. Анализ вольтфарадных характеристик исследуемых систем и влияния на них условий изготовления, освещённости и других параметров.
4. Исследование вольтаической зависимости активной составляющей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками из оксидов РЗЭ на переменном сигнате.
5. Изучение влияния технологических условий изготовления диэлектрических пленок на электрофизические характеристики структур А1-УЬ20з-8ц А1-С(120}-81, А1-8гп20з-81, А1-Ьи20з-8ц в частности на качество границы раздела диэлектрик-полупроводник.
6. Изучение явления внутренней фотоэмиссии носителей заряда в пленку диэлектрика из полупроводника или металла при облучении структур А1-ОРЗЭ-81 монохроматическим светом, определение высот энергетических барьеров на межфазных границах мсталл-ОРЗЭ и ОРЗЭ-81 и построение энергетической зонной диаграммы структур.
11
6. Изучение особенностей накопления заряда в диэлектрической пленке из оксида редкоземельного элемента в кремниевой МДП-структуре при световом воздействии.
7. Исследование параметров активных центров захвата носителей заряда в диэлектрической пленке, определение “центроида” захваченного на ловушки заряда, энергетической глубины залегания и сечения захвата ловушек.
8. Сравнение вышеописанных характеристик для структур с тонким (~ 20 нм) и толстым (~ 200 нм) слоем диэлектрика.
Научная новизна работы. В представленной работе впервые проведён комплексный анализ электрофизических и фотоэлектрических свойств структур металл - ОРЗЭ - кремний с четырьмя различными оксидами в качестве диэлектрика: оксиды самария, иттербия, лютеция и гадолиния. Получены и исследованы структуры с тонким ( ~ 20 нм) слоем диэлектрика (что на порядок меньше, чем использовались ранее). Это позволило резко повысить коэффициент перекрытия вольт-фараднон характеристики (в 8-10 раз), причём электрическая прочность сгрукгуры и стабильность характеристик остались практически неизменными.
Проведено исследование закономерностей электрического пробоя в диэлектрических пленках оксидов самария, иттербия и гадолиния. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях роста пилообразного напряжения на структуре Ку=10-103 В/с величина пробивной напряженности электрического поля линейно нарастает с увеличением логарифма скорости роста приложенного напряжения и пробой имеет кинетический характер. На втором участке величина поля пробоя не зависит от изменения скорости роста приложенного напряжения и пробой носит “критический” характер. Величина напряженности электрического поля пробоя на этом участке увеличивается с уменьшением толщины диэлектрика и площади верхнего электрода. Обнаружено уменьшение электрического поля пробоя с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной харак-
теристики уменьшается с увеличением скорости роста приложенного напряжения. Установлено, что время задержки пробоя пленки оксидов самария и гадолиния экспоненциально уменьшается с возрастанием величины электрического поля и температуры. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида РЗЭ для области Ку=10-105 В/с. Показано, что развитие пробоя состоит из подготовительной стадии, связанной с накоплением в диэлектрике критического заряда, при превышении которого пробой переходит в быструю фазу собственного пробоя диэлектрика.
Впервые получены значения времени жизни неосновных носителей заряда, достигающие 90 мке и более (для образцов с тонким, -20 нм диэлектриком). Скорость поверхностной генерации при этом достигала 0,08 см/с. Эти данные существенно превышают аналогичные характеристики для структур с толстым (-200 нм) слоем оксидов РЗЭ и на порядок превосходят имеющиеся данные о структурах с оксидом кремния в качестве диэлектрика.
Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик на основании спектральных и вольтаичсских зависимостей фототока определены высоты энергетических барьеров на межфазных границах МДП-структуры. Причём наблюдалось хорошее соответствие полученных данных между собой. Величины потенциальных барьеров составили: А1-8т20.1 (2,89-2,91 эВ), 81-5т2Оэ (2,70-2,72 эВ), А1-УЬ203 (2,90-2,92 эВ), 81-УЬ2СЬ (3,18-3,21 эВ), АНЗсЬО, (3,16-3,17 эВ), $1-Ос120, (3,29-3,31 эВ), А1-Ьи2Оз (2,77-2,9 эВ), Б1-1щ20з (3,40-3,45 эВ). Установлено, что при положительном и отрицательном напряжении на металлическом электроде наблюдается фотоэмиссия электронов из кремния и металла соответственно.
Проведён анализ вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облучения. На основании этих зависимостей выявлены закономерности прохождения заряда через структуру и накопления заряда на ловушках.
Установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем “центроид” захваченного заряда располагается вблизи центра диэлектрика. Сечение захвата и поверхностная плот-
13
ность электронных ловушек в диэлектрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10'14см2 и 1,61012 см'2 соответственно.
Методом фотостимулированной деполяризации установлено, что электронные центры захвата заряда располагаются почти в середине запрещенной зоны диэлектриков, в пленке УЪ203 на расстоянии 2,4-2,7 эВ от дна зоны проводимости, в пленке ЯшлОэ на расстоянии 2,25-2,6 эВ.
Получено пространственное распределение захваченного заряда в диэлектрической пленке вблизи межфазных границ раздела фаз 81-ОРЗЭ, А1-ОРЗЭ при облучении структур А1-$т203-81 и А1-УЬ20г51 монохроматическим светом. Установлено, что объемная плотность захваченного заряда в 4-10 раз больше в объеме диэлектрической пленки, чем вблизи границы раздела 81-ОРЗЭ. Данный результат свидетельствует о высоком качестве 1раницы раздела 81- ОРЗЭ.
Практический ценность работы состоит в том, что полученные данные о фундаментальных характеристиках структур МДП с оксидами ОРЗЭ (самария, гадолиния, лютеция иттербия), такие как значения энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах, расположение и энергетическая глубина залегания ценгроида в диэлектрическом слое, особенности поведения структур в состояниях насыщения и инверсии и т.д., могут использоваться при разработке приборов с использованием пленок оксидов редкоземельных элементов, в частности МДП-варикапов и фотоварикапов. Показано, что по некоторым параметрам полученные структуры существенно превосходят аналогичные системы с применением плёнок оксида кремния, из-за почти 4-кратного превышения значения диэлектрической проницаемости по сравнению с оксидом кремния, а также сравнительно низкого значения токов утечки.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования электрического пробоя в МД11-структурах с пленочными оксидами самария, гадолиния и итгербия, а также механизм пробоя, который состоит из 2 фаз. На первой происходит накошюние критического заряда в приконтактной области диэлектрика, про-
бой носит кинетический характер, напряженность пробивного ноля прямо пропорциональна логарифму скорости нарастания прикладываемого напряжения. Во время второй фазы величина электрического поля пробоя не зависит от скорости нарастания напряжения и пробой носит “критический” характер.
2. Характеристики вольтфарадных зависимостей и кинетических зависимостей емкости, которые свидетельствуют о высоком качестве границы раздела диэлектрик-полупроводник, где в качестве диэлектрика используется оксид редкоземельного металла.
3. Параметры энергетических зонных диаграмм и свойства границы раздела кремний-оксид редкоземельного элемента МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксидов самария, гадолиния, лютеция и иттербия.
4. Экспериментально установленные параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов самария, иттербия и гадолиния.
5. Закономерности и физическая модель накопления заряда в кремниевых МДП-струкгурах с диэлектрическими пленками Би^Оз, УЬгОз и вс^Оз, которая заключается в том, что пленки оксидов самария, гадолиния, лютеция и иттербия накапливают отрицательный электрический заряд при облучении структур монохроматическим видимым и УФ-излучением при одновременном воздействии внешнего поля. Величина захваченного заряда увеличивается с ростом приложенного напряжения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения. Фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем “центроид” захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика, в середине запрещенной зоны УЬзОз и ЭпьОз.
В связи с появлением ряда монографий, сборников и обзоров, описывающих широкий круг вопросов физики систем диэлектрик - полупроводник, мы сочли целесообразным не приводить в работе литературный обзор. Результаты новых оригинальных исследований приводятся во введениях или обсуждаются при изложении основного материала или его анализе.
- Київ+380960830922