Электрические и фотоэлектрические характеристики и свойства кремниевых МДП-структур с диэлектрическими слоями из оксидов иттрия, гадолиния и европия

2
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................4
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ......................................5
ВВЕДЕНИЕ.........................................................7
1. СВОЙСТВА ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ....................13
1.1. Общая характеристика и свойства редкоземельных элементов.13
1.2. Структура оксидов редкоземельных элементов...............15
1.3. Электрофизические свойства оксидов редкоземельных элементов 21
2. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.......................................................33
2.1. Методика изготовления кремниевых МДП-структур с диэлектрическими слоями из оксидов редкоземельных элементов......................33
2.2. Экспериментальные установки дія исследования электрических характеристик МДП-структур......................................36
2.3. Экспериментальные установки для исследования фотоэлектрических характеристик МДП-систем........................................43
3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ МДП-СТРУКТУР С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ ИЗ ОКСИДОВ ИТТРИЯ, ЕВРОПИЯ И ГАДОЛИНИЯ.....................................................45
3.1. Механизм прохождения тока на постоянном напряжении в кремниевых МДП-сгруктурах с ОРЗЭ в качестве диэлектрика....................45
3.2. Проводимость и диэлектрические потери в кремниевых МДП-структурах с оксидами иттрия, гадолиния и европия на переменном сигнале....49
3.3. Вольт-фарадные характеристики кремниевых МДП-структур с ОРЗЭ в качестве диэлектрика............................................53
3.4. Исследование генерационных процессов в кремниевых МДП-структурах методом Цербста.................................................61
3.5. Исследование влияния температуры окисления пленки РЗЭ на характеристики МДП-структур.....................................66
3.5.1. Влияние температуры получения оксида иттрия на электрические параметры МДП-структур..........................................66
3.5.2. Влияние температуры получения диэлектрических пленок на
генерационные параметры...........................................72
3.6. Характеристики электрического пробоя пленок оксида иттрия, гадолиния
и европия в кремниевых МДП-структурах...............................75
3.6.1. Кинетические характеристики электрического пробоя..........76
3.6.2. Температурные характеристики пробоя........................83
4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ МДП-СТРУКТУР С ОКСИДАМИ ИТТРИЯ И ЕВРОПИЯ В КАЧЕСТВЕ ДИЭЛЕКТРИКА 88
4.1. Методика определения высот энергетических барьеров на межфазных границах МДП-систем методом внутренней фотоэмиссии..................88
4.2. Анализ спектральной зависимости фотоинжекционного тока.......96
4.3. Анализ вольтаической зависимости фотоинжекшоиного тока......103
5. ПАРАМЕТРЫ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ЗАХВАТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В КРЕМНИЕВЫХ МДП-СТРУКТУРАХ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ ИЗ ОКСИДОВ ИТТРИЯ И ЕВРОПИЯ...............................113
5.1. Методика определения локализации и плотности захваченного заряда в объеме диэлектрика.................................................113
5.2. Плотность и локализация захваченного заряда в диэлектрических пленках оксида иттрия и европия............................................119
5.3. Энергетическая глубина залегания электронных ловушек в диэлектрических пленках оксида иттрия и европия....................124
5.4. Влияние ультрафиолетового излучения на электрофизические свойства
структур А1~У2Оз-81 и А1-Еи20з-81..................................127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................134
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................138
4
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
БИС - большая интегральная схема,
ВАХ - вольт-амперная характеристика,
ВФХ - вольт-фарадная характеристика,
ДП - диэлектрик - полупроводник,
ДМ - диэлектрик - металл,
МДП - металл -диэлектрик-полупроводник,
Ме - металл,
МОП - мсталл-оксид-полупроводник,
ОПЗ - область пространственного заряда,
ОРЗЭ - оксид редкоземельного элемента,
ПС - поверхностные состояния,
РЗЭ - редкоземельный элемент,
СБИС — сверхбольшая интегральная схема,
УФ - ультрафиолетовый (-ос).
5
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ 8 - диэлектрическая проницаемость, со - циклическая частота прикладываемого сигнала, р - удельное сопротивление диэлектрика, тё- время жизни неосновных носителей заряда,
- поверхностный потенциал,
Д V - сдвиг вольтаических зависимостей по оси напряжения,
С - емкость МДП-структуры,
Сд - емкость диэлектрика,
6 - толщина диэлектрика,
Е - напряженность электрического поля,
Епр - напряженность электрического поля пробоя,
Е* ~ уровень энергии в полупроводнике, соответствующий середине запрещенной зоны,
Её - ширина запрещенной зоны, в - проводимость,
Ь — постоянная Планка,
I - сила тока,
1<х>— фототок,
Ку- скорость нарастания пилообразного напряжения,
Ь - длина свободного пробега электрона в диэлектрике, щ—собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике,
N35- плотность поверхностных состояний,
Рс- мощность падающего излучения,
Я - заряд электрона,
заряд поверхностных состояний,
Ян - нагрузочное сопротивление,
Б - скорость поверхностной генерации,
I - время,
6
Т - абсолютная температура,
- тангенс угла диэлектрических потерь,
V, II - электрическое напряжение,
Уцр— электрическое напряжение пробоя,
"№г - область пространственного заряда,
Хс- положение "центроида” электрического заряда.
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В современной микроэлектронике широкое распространение получили слоисто-неоднородные структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник (МД11). Они составляют основу большинства дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Поэтому актуальной задачей микроэлектроники является улучшение параметров и характеристик полупроводниковых МДП-приборов и элементов интегральных схем. Существуют различные способы решения данной задачи, к числу которых относятся совершенствование методов изготовления диэлектрической пленки, улучшение качества границы раздела полупроводника с диэлек-грической пленкой, использование новых более перспективных материалов, пригодных для применения в тонкопленочном состоянии и позволяющих расширить функциональные возможности приборов.
Наиболее широко используемым диэлектриком при изготовлении МДП-структур в настоящее время является двуокись кремния, поскольку это естественный окисел полупроводниковой подложки, составляющая основу большинства полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем. Однако возможности применения двуокиси кремния ограничены. Это вызвано проблемами, связанными с надежностью устройств и миниатюризацией элементов интегральных схем. Характеристики тонкого 8102, необходимого для применения в таких устройствах, выращенного термическим окислением кремниевой подложки, не позволяют получить структуру, свободную от микропор и внутренних напряжений [1]. Высокие значения электрического поля в изоляторе и плотности точечных дефектов ограничивают толщину пленки двуокиси кремния до 6,5 -г- 7,0 нм [2].
К перспективным диэлектрическим материалам относятся оксиды редкоземельных элементов (ОРЗЭ). Эти материалы обладают высокой термической и химической стойкостью, большими значениями диэлектрической про-
8
ницаемости по сравнению с двуокисью кремния, высокой электрической прочностью [3]. Тонкие пленки из этих материалов могут быть сравнительно просто получены на различных полупроводниковых подложках при сравнительно низких температурах (300-г 1000 °С), что особенно важно при изготовлении изолирующих слоев на полупроводниках, не имеющих хороших собственных термических оксидов. ОРЗЭ обладают интересными с практической точки зрения и оптическими свойствами: высокой прозрачностью в области длин волн излучения 0,3 4- 2,0 мкм, оптимальной величиной показателя преломления п = 1,92 4-2,18, для применения их в качестве просветляющих и пассивирующих слоев кремниевых фотоэлектрических приборов. Установлено [4], что по ряду параметров пленки ОРЗЭ превосходят пленки таких диэлектриков, как 810, БЮ2, 813К4, Та205 и др.
К настоящему' времени на основе этих материалов разработаны и изготовлены высокоэффективные МДП-варикапы [5], МДП-транзисторы, электрические и тепловые переключатели, элементы памяти, термостойкие и эффективные просветляющие покрытия для кремниевых фотоэлектрических приборов [6].
Однако, многие фундаментальные вопросы, связанные с физикой явлений в них, а также касающиеся физико-химической природы их основных характеристик, до настоящего времени остаются невыясненными. К числу таких проблем относится определение величин энергетических барьеров на межфаз-ных границах, параметров и природы ловушек, являющимися центрами захвата носителей заряда, исследование электрических и фотоэлектрических свойств МДП-струкгур с тонкими (~ 40 нм) диэлектрическими пленками из ОРЗЭ.
В этой связи целью данной работы является изучение электрических и фотоэлектрических свойств МДП-структур с оксидами иттрия, гадолиния и европия в качестве диэлектрика, фундаментальных параметров МДП-систем, исследование качества границы раздела диэлектрик - полупроводник при различных температурах получения диэлектрической пленки, построение энергетичс-
9
ских зонных диаграмм МДП-структур, определение параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях.
Для достижения данной цели работы были поставлены следующие основные задачи:
1. Определение механизма электропроводности кремниевых МДП-структур с диэлектриком из оксидов иттрия, гадолиния и европия. Исследование зависимости активной составляющей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь от напряжения в кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками из оксидов редкоземельных элементов на переменном сигнале.
2. Анализ вольт-фарадных характеристик исследуемых систем и влияния на них температу ры получения диэлектрической пленки.
3. Изучение влияния температуры изготовления диэлектрических пленок на электрофизические характеристики структур А1-У203-81, А1-Еи20з-81, АЮс^Оз—81, в частности на качество границы раздела диэлектрик-полупроводник.
4.. Исследование кинетических характеристик электрического пробоя и температурной зависимости пробивного поля для диэлектрических пленок оксидов РЗЭ в кремниевых МДП-структурах.
5. Изучение явления внутренней фотоэмиссии носителей заряда в пленку диэлектрика из полупроводника или металла при облучении структур А1-ОРЗЭ-81 монохроматическим светом и определение величины высоты энергетических барьеров на межфазных границах металл-ОРЗЭ и ОРЗЭ-8ц а также построение энергетических зонных диаграмм изучаемых МДП-систем.
6. Исследование особенностей накопления заряда в диэлектрической пленке из оксида редкоземельного элемента в кремниевой МДП-структуре при облучении ее светом.
10
7. Определение параметров активных центров захвата носителей заряда в диэлектрической пленке и “центроида” захваченного заряда, энергетической глубины залегания. Исследование влияния УФ-излучения на электрофизические свойства МДП-структур с диэлектрическими пленками из ОРЗЭ.
Научная новизна работы. В представленной работе впервые проведен комплексный анализ электрофизических и фотоэлектрических свойств структур металл - ОРЗЭ - кремний с тремя различными оксидами в качестве диэлектрика: оксид иттрия, гадолиния и европия. Получены и исследованы структуры с предельно тонким (~ 40 нм) слоем диэлектрика, что позволило повысить коэффициент перекрытия вольт-фарадной характеристики (в 5 *15 раз), без существенного ухудшения электрической прочности диэлектрической пленки и стабильности характеристик.
Проведено исследование закономерностей электрического пробоя в диэлектрических пленках оксидов иттрия, гадолиния и европия. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях роста пилообразного напряжения на структуре Ку= 10 т 104 В/с величина пробивной напряженности электрического поля линейно нарастает с увеличением 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 характеристики уменьшается с увеличением скорости роста приложенного напряжения. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида иттрия, гадолиния и европия для области Ку=Ю ч- 104 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.
11
Изготовлены МДП-структуры с оксидом иттрия в качестве диэлектрика, значения времени жизни неосновных носителей заряда, в которых достигало 90 мкс (для образцов с тонким, - 40 нм диэлектриком). Скорость поверхностной генерации при этом достигала 1,6 см/с. Эти данные существенно превышают аналогичные характеристики для структур с толстым (более 110 нм) слоем оксида 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 вольтаических зависимостей фототока определены высоты энергетических барьеров на межфазных границах МДП-структуры. Величины потенциальных барьеров составили: А1-У20з (3,35 ч- 3,40 эВ), 8ьУ2Оз (3,71 ч- 3,75 эВ), А1-Еи203 (3,60 ч-3,61 эВ), 5ьЕи203 (3,91 ч- 3,95 эВ). Установлено, что при положительном и отрицательном напряжении на металлическом электроде наблюдается фотоэмиссия электронов из кремния и металла соответственно.
Из анализа вольтаических зависимостей фототока после облучения установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем “центроид” захваченного заряда располагается вблизи центра диэлектрика.
Методом фотостимулированной деполяризации установлено, что электронные центры захвата располагаются почти в середине запрещенной зоны диэлектриков, в пленке У20з на расстоянии 2,60 ч- 2,80 эВ от дна зоны проводимости, в пленке Еи203 на расстоянии 2,25 ч- 2,35 эВ.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные данные о фундаментальных параметрах структур МДП с оксидами иттрия, европия и гадолиния 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 анатогичные системы с применением пленок оксида кремния, из-за значительного превышения значения ди-
12
электрической проницаемости по сравнению с оксидом кремния (почти
4-кратное превышение), а также сравнительно низкого значения токов утечки.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования электрического пробоя в МДП-структурах с пленочными оксидами иттрия, европия и гадолиния, а также механизм пробоя, который состоит из 2 фаз. На первой, при скорости роста напряжения Ку ^ Ю4 В/с происходит накопление критического заряда в приконтактной области диэлектрика, пробой носит кинетический характер, напряженность пробивного поля прямо пропорциональна логарифму скорости нарастания прикладываемого напряжения. Во время второй фазы, при Ку ^ 104 В/с величина электрического поля пробоя не зависит от скорости нарастания напряжения, и пробой носит “критический” характер.
2. Вольт-фарадные характеристики и кинетические зависимости емкости, которые свидетельствуют о высоком качестве фаницы раздела диэлектрик-полупроводник, где в качестве диэлектрика используется оксид редкоземельного металла.
3. Параметры энергетических зонных диаграмм и свойства 1раницы раздела кремний-оксид редкоземельного элемента МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксидов иттрия и европия.
4. Экспериментально установленные параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов иггрия и европия.
5. Закономерности и физическая модель накопления заряда в кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками У20з и Еи20з, которая заключается в том, что пленки оксида иттрия и европия захватывают отрицательный электрический заряд при облучении структур видимым и УФ-излучением и одновременным воздействием внешнего электрического поля. Количество захваченного заряда увеличивается с ростом величины приложенного напряжения и времени облучения. Инжектированные светом электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центро-ид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика, а энергетическое положение центров захвата находится в середине запрещенной зоны диэлектрика.
13
1. СВОЙСТВА ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1.1. Общая характеристика и свойства редкоземельных элементов
К редкоземельным элементам (РЗЭ) относятся расположенные в третьей группе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева: скандий, иттрий и лантаноиды. Физические и химические свойства редкоземельных металлов исследованы достаточно хорошо. Это связано с развитием технологии их разделения и все более возрастающим применением РЗЭ и их соединений в различных областях техники. Свойства редкоземельных металлов и сплавов на их основе освещены в ряде сборников, монографий, статей [4,7-23].
Особенности редкоземельных элементов обусловлены своеобразным характером их электронной структуры. У них наблюдается, в основном, заполнение А{ - электронного подуровня. Первым 4f - элементом является церий, последним - иттербий. Кроме того, к редкоземельным элементам относятся те металлы. у которых очередной электрон располагается на с! - подуровне (скандий, иттрий, лантан, гадолиний, лютеций).
Расчетные и экспериментальные данные указывают на увеличение разности энергий между 4£- и 5б-орбиталями и уменьшение разности энергий между 56- и бз-орбиталями, то есть вероятность заполнения 4с1- и 5с1- уровней в ряду РЗЭ различна в начале и конце ряда, что является физической основой для деления их на цериевую и итгриевую подгруппы [7-9].
Подгруппа церия (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий) представляет собой совокупность легких РЗЭ, а подгруппу иттрия (иттрий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций) образуют наиболее тяжелые металлы.
Физические свойства РЗЭ в массивном состоянии достаточно хорошо исследованы и описаны в литературе [4, 17, 18, 20, 24]. Значения температуры плавления Т1Ш, плотность (1, относительный коэффициент линейного расширения а, температура кипения ТКИП, и удельное сопротивление р различных при-