СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
Глава 1. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ.......................21
1.1 Компьютеризированная измерительная установка...........21
1.2 Исследования кинетики ионной поляризации и деполяризации
і
подзатворного окисла............................................24
1.3 Прецизионное определение нормированной квазиравновесной вольтфарадной характеристики МОП-структуры......................28
1.4 Определение абсолютной величины поверхностного потенциала полупроводника по квазиравновесным вольтфарадным характеристикам МОП-структур.................................................42
1.5 Наблюдения кинетики генерации неосновных носителей заряда
и туннельной проводимости окисла в 8і-МОП-структурах............56
Глава 2. ИОННЫЙ ТРАНСПОРТ В ОКИСЛЕ Бі-МОП-СТРУКТУР И ЭФФЕКТЫ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ У ГЕТЕРОГРАНИЦЫ 8і/8Ю2.........................................58
2.1 Состояние проблемы.....................................58
2.2 Определение характеристик ионного транспорта в окисле по динамическим ВАХ 8і-МОП-структур................................70
2.3 Проявления электронно-ионного взаимодействия у гетерограницы 8і/8і02......................................................82
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОКИСЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ ...................................................116
3.1 Увеличение эффективной подвижности электронов в инверсионном канале 8і-МОП-транзистора при ионной поляризации подзатворного окисла...................................................117
3.2 Самоорганизация характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором посредством спонтанной ионной поляризации окисла.. 124
2
Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ У ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА НАЯОМАСШТАБНОГО РЛЗМЕРНО-КВАНТУЮЩЕГО ПОТЕНЦИ-АЛЬНОГО РЕЛЬЕФА ПОСРЕДСТВОМ ИОННОЙ ИЛИ ЭЛЕКТРОННО-
ИНЖЕКЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОКИСЛА МОП-СТРУІСТУР 131
Глава 5. ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА У ПЛАНАРНО-НЕОДНОРОДНОЙ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА Бі/Бі02...................................................138
5.1 Базовые каналы генерации неосновных носителей заряда у гетерограницы полупроводник-диэлектрик...........................138
5.2 Влияние электрической неоднородности гетерограницы БЮ2/Бі
на темп генерации неосновных носителей заряда................139
5.3 Особенности генерации неосновных носителей заряда через пограничные состояния................................/.........144
5.4 Исследования генерации неосновных носителей заряда в Бі-
МОП-структурах на ступенчатых сигналах напряжения........:...151
Глава 6. ТУННЕЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ТОНКИХ И СВЕРХТОНКИХ ОКИСЛОВ НА ПОВЕРХНОСТИ Бі....................................163
6.1 Проявление туннельной проводимости тонкого подзатворного окисла в кинетике генерации неосновных носителей заряда в МОП-структурах................................................167
6.2 Реконструкция зависимостей туннельного тока от падения напряжения на сверхтонком окисле по вольтамперным и вольтфарадным характеристикам структур п+-Бі-БЮ2-п-Бі.....................180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................201
ЛИТЕРАТУРА...................................................206
3
ВВЕДЕНИЕ
Наномасштабирование электронных приборов на основе структур ме-талл-окисел-полупроводник (МОП) требует согласованного с сокращением латеральных размеров элементов уменьшения толщины подзатворного изолятора до =2нм (традиционный окисел кремния) и до 5-20нм (изолирующие слои с высокой диэлектрической проницаемостью б/>5) [1-6]. Сверхтонкие диэлектрические слои используются в полевых транзисторах с изолированным затвором, СВЧ-туннельных диодах, системах динамической и «флэш» памяти, приборах с зарядовой связью, сверхрешетках 8Ю2/81 и пр.[6-9]. Сверхтонкие изоляторы в такого рода системах оказываются в ранее нереализовавшихся экстремальных условиях, подвергаясь воздействию сильных электрических полей, высоких токовых нагрузок и терморазогрева. Становятся существенными туннельная инжекция и инжекция горячих носителей заряда в изолятор, транспорт подвижных заряженных частиц в изолирующих слоях, а также электронноионное взаимодействие на гетерогранице полупроводник/диэлектрик. Эти явления сопровождаются процессами генерации, аннигиляции и перераспределения объемного заряда в изоляторах, что проявляется в радикальном изменении, как правило в худшую сторону, электронных свойств гетерограниц. Несмотря на интенсивные исследования инжекционно-туннелыюго воздействия на характеристики подобных систем наблюдаются лишь его «приборные» последствия, тогда как фундаментальные механизмы такого воздействия и его проявления в электронных свойствах гетерограниц остаются невыясненными, в частности, из-за неадекватности используемого при этом экспериментальнометодического аппарата. Это относится как к классическим 81-МОП-системам, так и к нскремниевым структурам на основе широкозонных полупроводников (ваИ, 8Ю, ваАБ и т.д.), а также к МОП-элементам, использующим изоляторы с высокой диэлектрической проницаемостью (АЬОз, 2Ю2, НЮ2, Сс1203, У2Оз и пр.) [10-20]. Таким образом, исследования механизмов электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсис-
4
тем гетерограниц кремний/окисел, стимулированной инжекционно-туннельным воздействием, имеет фундаментальное значение для физики гетерограниц полупроводник/диэлектрик. С другой стороны, развитие адекватного такого рода исследованиям экспериментально-методического аппарата существенно для физической диагностики материалов и структур, перспективных при разработках новой элементной базы электроники. Следовательно, решение данных проблем является актуальной и практически значимой научной задачей.
Цель настоящей работы - экспериментальные исследования механизмов стимулированной туннельным эффектом электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсистем классических п-8і-МОІ 1-структур и безмодельная идентификация туннельных вольтам-перных характеристик сверхтонкого окисла в координатах гок-падение напряжения на окисле.
В данной связи поставлены и решены следующие задачи:
- развита универсальная методика наблюдения в широком диапазоне условий эксперимента процессов проводимости и релаксации Бі-МОП-структур, выведенных из состояния термодинамического равновесия, либо посредством изменения зарядового состояния окисла, либо путем переключения МОП-структуры в состояние сильного неравновесного обеднения;
- построен алгоритм выделения из динамических вольтамперных характеристик (ВАХ) МОП-структур активной и емкостной компонент проводимости; разработана методика прецизионного анализа емкостной компоненты тока - вольтфарадной характеристики (ВФХ) - позволяющая рассчитать с высокой точностью зависимость поверхностного потенциала полупроводника у/5 от потенциала полевого электрода Уе, а также расширить возможности вольтемкост-ной спектроскопии пограничных состояний (ПС);
- проведены многоплановые экспериментальные исследования ионного транспорта в окисле;
-* развиты новые представления о механизме динамической ионной де-
5
поляризации окисла, основанные на ее существенно неравновесном характере; в рамках этих представлений определены дрейфовая подвижность ионов и ее энергия активации;
- исследованы проявления в проводимости диэлектрика эффектов туннельной нейтрализации ионов в окисле электронами слоя обогащения кремния; построена и экспериментально обоснована модель проводимости окисла, обусловленной диффузией по окислу нейтральных ассоциатов (ион+электрон), сопровождающейся их термическим распадом в его объеме;
- сопоставлены результаты экспериментов по кинетике ионной деполяризации окисла в изотермическом и термостимулированном режимах; на этой основе введены новые представления о механизмах начальной и конечной стадий деполяризации;
- исследовано влияние ионной поляризации окисла в принудительном и спонтанном режимах на характеристики п-канальных кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором; показано, что локализация положительных ионов в окисле у его границы с кремнием приводит к более чем трехкратному возрастанию эффективной подвижности электронов в инверсионном канале транзисторов;
- проанализированы возможности формирования у поверхности полупроводника двумерного наномасштабного размерно-квантующего потенциального рельефа за счет ионной или электронно-инжекционной поляризации окисла МОП-структур;
- на ступенчатых сигналах напряжения исследована кинетика генерации неосновных носителей заряда (ННЗ) в п-ЗМУЮП-структурах с планарнонеоднородным диэлектриком;
- изучены особенности кинетики рождения электронно-дырочных пар при отсутствии туннельной проводимости тонкого (=100А) окисла, связанные с наличием периферической генерации ННЗ по периметру полевого электрода и в мелкой потенциальной яме, расположенной под толстым (3200А) окислом,
6
имитирующей краевой эффект;
- в рамках представлений о туннельной проводимости тонкого окисла и об ударной генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами интерпретирована природа пиков тока на кривых кинетики генерации НИЗ, и развит алгоритм количественного описания экспериментальных данных, позволяющий выделить из суммарного тока компоненты, обусловленные термической и ударной генерацией, а также туннелированием; на этих основаниях идентифицирована туннельная ВАХ, и найдены коэффициент ударной ионизации и энергия горячих электронов;
- разработан безмодельный подход к экспериментальному определению зависимости туннельного тока от падения напряжения на сверхтонком (<50А) окисле п-БьМОП-структур, как в режиме обогащения поверхности 81, так и в режиме ее инверсии.
Научная новизна. Развит многофункциональный аппарат экспериментальных исследований механизмов электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсистем классических гетерограниц кремний/окисел. Разработаны методы измерений и анализа ВФХ, позволяющие рассчитать с высокой точностью зависимость ^(^’)> а также расширить возможности вольтемкостной спектроскопии ПС.
На основе представлений о неравновесном характере процессов объемно-зарядовой поляризации и деполяризации окисла ЗьМОП-структур описаны динамические ВАХ ионного транспорта в окисле. Это позволило извлечь из результатов единого эксперимента основные сведения о характеристиках ионной проводимости окисла и лимитирующих ее факторах.
Впервые получены экспериментальные доказательства эффектов диффузии нейтрализованных электронами положительных ионов, сосредоточенных у границы раздела (ГР) 8102/81. Реализованы подходы к определению степени нейтрализации ионов, локализованных в окисле у поверхности кремния, бази-
7
рующиеся на наблюдениях времен пролета и термостимулированной деполяризации.
Предсказан и обнаружен неполевой механизм релаксации зарядового состояния диэлектрика, обусловленный диффузией и распадом электронноионных ассоциатов, возникающих вследствие нейтрализации ионного заряда у ГР БЮг/Э! электронами слоя обогащения.
Обнаружено существенное (более чем трехкратное) увеличение эффективной подвижности электронов в инверсионном канале БьМОП-транзистора при ионной поляризации подзагворного окисла, в том числе в режиме спонтанного разогрева прибора током канала.
Проанализированы новые возможности создания стабильных, перестраиваемых и самоорганизующихся электронных систем пониженной размерности путем формирования в изоляторе, прилегающем к полупроводнику наномас-штабного распределения локализованного ионного (электронного) заряда, индуцирующего в поверхностном слое полупроводника квантующий потенциальный рельеф.
Экспериментально продемонстрировано, что поверхностная генерация НПЗ в 8ьМОГ1-структурах эффективна лишь на начальной (безрекомбинаци-онной) стадии продолжительностью ~1(Г5с; при отсутствии иных каналов генерации равновесное состояние инверсии устанавливается в течение многих лет.
Генерация НИЗ в ЭьМОП-структуре с планарно-неоднородным окислом обнаруживает необычную кинетику рождения электронно-дырочных пар: зависимости тока генерации от времени /(/) описывают дискретные ступеньки, длительность и высота которых - функции У8. С увеличением У8 в структурах проявляется новый канал рождения электронно-дырочных пар, обусловленный ударной генерацией НИЗ в области пространственного заряда (ОЛЗ) кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами. Количественное описание экспериментальных данных позволяет выделить из суммарного тока /(/) его компоненты, связанные с термической и ударной генерацией, а также с тунне-
8
лированием.
Разработан алгоритм определения с точностью -0,1% базовых феноменологических характеристик МОП-структур: уровня легирования полупроводника, напряжения «плоских зон» и эффективной «емкости окисла».
Впервые без использования каких-либо подгоночных параметров и предположений о состоянии электронного газа у поверхности кремния экспериментально идентифицированы туннельные ВАХ п-81-МОП-структур со сверхтонким (<50А) окислом в координатах туннельный ток-падение напряжения на окисле, как в режиме обогащения, так и в режиме инверсии поверхности 81.
Практическая значимость работы.
Реализованная многофункциональная измерительная система позволяет с цифровой точностью:
— исследовать в идентичных условиях ионную проводимость диэлектрика, граничащего с полупроводником, определять по данным физически независимых опытов ее основные характеристики, изучать источники проникновения ионов в изолятор, связывать результаты наблюдений с технологией электронных приборов;
- наблюдать квазистатические и динамические ВАХ и ВФХ, а также кинетику изотермической и термостимулированной релаксации различных полупроводниковых структур в широком диапазоне экспериментальных условий.
Тем самым возникают широкие возможности эффективного контроля и физической диагностики весьма разнообразных элементов полупроводниковой электроники не только на основе кремния, но и на основе таких перспективных материалов как вЮ, ваН ваЛь, 1п8Ь и т.д. Универсальность, простота и экс-прессность экспериментального аппарата позволяют рекомендовать его для использования, как при научных исследованиях, так и в электронной промышленности, в частности, при разработках субмикронных приборов и контроля их технологии и надежности.
Факт длительного сохранения характеристик полевых транзисторов, мо-
9
дифицированных принудительной или спонтанной ионной поляризацией окисла, открывает перспективы для создания «элионных» запоминающих устройств, тем более что время «записи» существенно сокращается при увеличении интенсивности джоулева разо1рева канала. Возможность автокоррекции характеристик готовых приборов представляется полезной для целей прецизионной симметризации параметров входных каскадов дифференциальных усилителей. Наконец, простота варьирования режима саморазогрева транзисторов за счет варьирования значений Кя, потенциала стока У^ и продолжительности токовой нагрузки позволяет изменять в существенных пределах их базовые характеристики, что создает основы для самоорганизации параметров подобных приборов и электронных схем на их основе.
Предложен новый подход к технологии создания размерно-квантованных элементов полупроводниковой наноэлектроники. Обнаруженные особенности периферической и ударной генерации НПЗ могут быть использованы в новом классе полупроводниковых датчиков («динамических сенсоров»), обладающих интегрирующими и пороговыми свойствами, чувствительных к воздействию освещения, радиации и к изменению состава внешней среды.
Развитый подход к анализу туннельных ВАХ ЗьМОП-структур с тонким и сверхтонким окислом - основа эффективного метода контроля качества изолятора и его гетерограницы с полупроводником на различных этапах их жизненного цикла, применимый не только к системе но и к структурам с
изоляторами с высокой На основе данного подхода идентифицируются базовые электрофизические характеристики структур металл-вырожденный полу-проводник-диэлектрик-полупроводник: уровень легирования полупроводниковой базы и вырожденной полупроводниковой прослойки, напряжение «плоских зон», «емкость» и толщина диэлектрика, знак и плотность фиксированного в диэлектрике заряда. Этим обеспечиваются более игирокие возможности изучения механизмов инжекционного повреждения изоляторов, в особенности, на его ранних стадиях.
10
Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения и списка цитируемой литературы из 224 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны ее цели, задачи и сформулированы основные положения, выносимые на защиту; аргументированы научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.
В первой главе описываются универсальный экспериментально-методический аппарат исследований, его применения для наблюдений и обработки в режиме реального времени квазистатических и динамических ВАХ и ВФХ МОП-структур, кривых изотермической релаксации и температурных зависимостей проводимости, термостимулированной ионной поляризации и деполяризации подзатворного диэлектрика, а также время-пролетных эффектов. Компьютеризированный измерительный комплекс (§1.1) обеспечивает управление экспериментом, сбор, обработку и представление экспериментальных данных. Объект исследования электрически экранирован и полностью защищен от воздействия внешней среды. Измеряемые величины - ток (5-10 14-1А), напряжение (0-±40В), емкость (>0,01пФ) и э.д.с. микротермопары вводятся в цифровой форме через универсальный интерфейс в персональный компьютер. Область рабочих температур 203-573 К. В §1.2 излагается методика исследований кинетики изотермической и термостимулированной ионной поляризации/деполяризации окисла ЗКМО! 1-структур. §§1.3, 1.4 посвящены разработке методики определения абсолютной величины поверхностного потенциала полупроводника по квазиравновесным ВФХ МОП-структур. С одной стороны, максимально точное определение зависимости ц/5{ необходимо как для анализа ВАХ струкгур с гуннельно проницаемым окислом, так и для спектроскопии Г1С. С другой стороны, данная методика позволяет выяснить предельные возможности разработанной измерительной системы. Ее эффективность демонстрируется на примере конкретной тестовой БьМОП-структуры. Повышение точности определения зависимости уь(Уд) обеспечивается новым методом ана-
11
лиза ВФХ, названным методом «\{/'J^-диаграмм» (y/'s=df/JdVi’g). Метод «^/У^/5-диаграмм» эффективно реализуется в областях эквидистантности экспериментальной и идеальной ВФХ, т.е. при значениях отвечающих отсутствию или очень низкой плотности ПС. Приводятся результаты компьютерного моделирования и экспериментальные данные для конкретной Si-МОП-структуры, иллюстрирующие возможности развитых подходов. В итоге минимизации погрешностей измерений повышена точность определения ц/5 до =0,1 мВ и расширен энергетический интервал спектроскопии ПС в пределах запрещенной зоны Si до =0,9эВ.
Методика наблюдения кинетики генерации ННЗ и туннельной проводимости в Si-МОП-структурах представлена в §1.5. Далее излагаются методы измерения туннельных токов сквозь тонкий и сверхтонкий окисел. В динамическом режиме при температуре Т=293К измеряются прямые (Vg>0) и обратные (Vg<0) туннельные ВАХ. В первом случае на полевой электрод подаются треугольные импульсы напряжения. Туннельные токи регистрируются как в процессе нарастания Vg) так и в процессе его спада. Это позволяет выделить из измеряемых сигналов чисто туннельный ток и квазиравновесную ВФХ. Во втором случае наблюдения туннельных ВАХ на пилообразных сигналах напряжения невозможно вследствие крайне медленной генерации ННЗ. Поэтому измерения проводятся на «ступеньках» напряжения (VH<0) с последовательно возрастающей амплитудой. Регистрация семейства характеристик /(/) с параметром Vg позволяет найти по кинетике нарастания туннельного тока обратную динамическую туннельную ВАХ.
Во второй главе исследуется ионный транспорт в окисле Si-МОП-структур. В §2.1 резюмируется современное состояние исследований ионного транспорта в слоях Si02 на Si. Рассматриваются механизмы появления в слоях Si02 подвижных и связанных ионов и их природа. Аргументируется научная и прикладная значимость наблюдений воздействия подвижных ионов в окисле МОП-структур на электронную подсистему полупроводника и, наоборот, элек-
12
тронов полупроводника на ионную подсистему диэлектрика. В §2.2 и §2.3 представлены результаты измерений переходных токов ионной поляриза-ции/деиоляризации слоев 8Ю2 в изотермическом и термостимулированном режимах в диапазонах времен как меньших, так и больших времени пролета свободным ионом изолирующего промежутка. Здесь же приводятся данные наблюдений динамических ВАХ ионной проводимости в условиях линейной развертки по напряжению. Развит новый неравновесный подход к описанию динамических ВАХ деполяризации. В его основе лежат представления о термоэмиссии ионов через естественный потенциальный барьер, созданный поляризующим, прижимающим ионы к ГР напряжением. Результаты эксперимен-
тов прекрасно согласуются с данными представлениями. На этом основании впервые в рамках единого эксперимента определены базовые характеристики ИОННОЙ проводимости слоев 8102: плотности подвижных ионов, их подвижность и ее энергия активации. Здесь же содержатся результаты исследований эффектов нейтрализации электронами из слоя обогащения положительных ионов, сосредоточенных у границы 8Ю2/8ь Рассматривается качественная физическая модель возможных проявлений электронно-ионного взаимодействия. Считается, что туннельный захват электрона из 81 на ловушку, образованную ионом и его диэлектрическим окружением, приводит к нейтрализации ионов у ГР 81/8Ю2. При высоких температурах нейтральные ассоциаты (НА) могут диффундировать вглубь окисла и термически распадаться. При этом в слое диэлектрика толщиной порядка длины диффузии НА возникнет своеобразный кругооборот ионов у поверхности 81, обусловливающий стационарный, слабо зависящий от электрического поля ток через диэлектрик. При изменении направления поля к переходному ионному току добавляется компонента, определяемая диффузией и распадом НА, независящая от величины деполяризующего напряжения. Представлены экспериментальные доказательства, подтверждающие данную физическую картину явлений. Эта модель позволяет описать и закономерности изотермической деполяризации. Интегрирование кривых изо-
13
термической и термостимулированной релаксации поляризованной МОГ1-структуры позволило оценить плотности нейтрализованных и свободных ионов и коэффициент нейтрализации ^=0,83.
Представлен новый взгляд на природу пиков термостимулированной ионной деполяризации (ТСД) БьМОП-структур, трактовавшихся ранее исключительно с позиций опустошения ионных ловушек. Показано, что стадия начального нарастания тока ТСД обусловлена термоактивацией времени пролета свободных ионов. Области экстремума и спада тока качественно интерпретируются на основе модели электронно-ионного взаимодействия. Пик тока имеет нетрадиционную для ТСД форму - полуширина его спадающей ветви много больше нарастающей.
В главе 3 исследуются влияние ионной поляризации окисла на характеристики п-канальиых кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором. В §3.1 наблюдалось воздействие поляризации окисла на эффективную подвижность электронов /4. в инверсионном канале транзистора. Поляризация сопровождается незначительным сдвигом порогового напряжения, а /ие после поляризации возрастает более чем в три раза и оказывается большей /4 в массивном кремнии с эквивалентным уровнем легирования (/4=1400см2/В*с, 7Ъ=293К). Максимальное значение цс при Г=293К в поляризованном образце =2645см2/В-с. С понижением Т /лс растет пропорционалньно Т~°'82 достигая при Г=203К 3596см2/В-с. В §3.2 исследуется влияние на /4 ионной поляризации подзатворного окисла в режиме саморазогрева транзистора током канала. Оказывается, что как и в §3.1, спонтанная поляризация окисла сопровождается увеличением /4 (от 808 до 1856см2/В с), тока стока /,/ и крутизны, а также небольшим уменьшением порогового напряжения.
Четвертая глава посвящена анализу новых возможностей создания стабильных, перестраиваемых и самоорганизующихся электронных систем пониженной размерности путем формирования в диэлектрике у его границы с полупроводником наномасштабного распределения локализованного ионного (элек-
14
тронного) заряда, индуцирующего в поверхностном слое полупроводника квантующий потенциальный рельеф. Эти возможности базируются на способности 81-МОП-структур (в частности, МНОП-структур и 81-МОП-транзисторов с «плавающим» затвором) длительно (~108с) сохранять поляризационный ионный (электронный) заряд в окисле у поверхности кремния. Рассматриваются перспективные методы профилирования распределения плотности заряда в окисле МОП-структур.
В §5.1 (глава 5) ализируются базовые каналы генерации неосновных носителей заряда (НИЗ) в БГМОП-структурах. При одновременной активности пяти известных каналов генерации - рождение электронно-дырочных пар через пограничные центры генерации (ПЦГ), объемные уровни в полупроводнике и по периферии полевого электрода, а также генерация ННЗ в краевых полях, обусловленных локальной неоднородностью гетерограницы БЮг/З! и, наконец, термодиффузия ННЗ из электронейтрального объема полупроводника - общий темп термогенерации ННЗ (для определенности - дырок) - сумма темпов генерации отдельных каналов. Далее (§5.2) рассматривается специфика генерации ННЗ в структурах с электрически неоднородной ГР и особенности рождения электронно-дырочных пар через пограничные состояния (ПС) (§5.3). В современных ЗьМОП-структурах накопление дырок у неравновесно обедненной поверхности 81 при комнатной температуре определяется темпами их генерации через ПЦГ как под полевым электродом ((/«), так и по его периферии (Сг5р).
В §5.4 исследована кинетика генерации ННЗ в БГМОП-структурах с планарно-неоднородным диэлектриком в отсутствии туннельной проводимости тонкого (ЮОА) подзатворного окисла. Установлены особенности кинетики рождения электронно-дырочных пар при малых |КЛ.|, связанные с наличием периферической генерации ННЗ по периметру полевого электрода и в мелкой потенциальной яме, расположенной под толстым окислом, имитирующей краевой эффект. Эти особенности проявляются в форме необычной кинетики тока: ток описывает дискретные ступеньки, высота и длительность которых является
15
функциями Уд. Развита интерпретация результатов наблюдений, на основе которой определены базовые электронные характеристики гетерограницы 81'/8Ю2.
В начале шестой главы рассматриваются основные представления о туннельном переносе электронов в МОП-структурах с тонким и сверхтонким окислом в режимах прямого туннелирования и туннелирования по Фаулеру-Нордгейму. Показано, что идентификация туннельных ВАХ в таких структурах требует развития строгого подхода к определению функций Ц/*(Уд). В §6.1 исследуются динамические туннельные ВАХ в режиме инверсии поверхности кремния. В рамках представлений о туннельной проводимости тонкого (100А) окисла и об ударной генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами интерпретирована природа пиков тока на кривых кинетики релаксации /(/), возникающих при максимальных значениях |Кб|. На этой основе построен алгоритм количественного описания экспериментальных данных, позволяющий выделить из суммарного тока /(/) компоненты, обусловленные термической и ударной генерацией, а также туннелированием.
В §6.2 исследуются квазистатические туннельные ВАХ 8ьМОП-структуры со сверхтонким окислом. Разработан метод определения туннельных ВАХ 1,(У{) подобных структур (У, - падение напряжения на окисле). Представленные более чем на десяти порядках величины изменения тока характеристики 1,(У() чрезвычайно сложны и в полном масштабе не описываются ни одной из известных теорий туннельного эффекта. Впервые полученные без использования каких-либо подгоночных параметров экспериментальные зависимости /,(^) и щ(Уё) являются хорошим «тестом» для развития теории туннельного эффекта, учитывающей как вырождение и размерное квантование электронного газа в полупроводниковых элементах структуры, так и неклассическую форму потенциального барьера для туннелирующих электронов, обусловленную присутствием в окисле встроенного заряда, знак и плотность которого, в принципе, функции Времени и величины Уд.
16
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, намечены пути и перспективы ее развития.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 При ионной поляризации окисла п-81-МОП-структур нейтральные ас-социаты (ион+электрон), образованные за счет туннельного захвата электронов из слоя обогащения полупроводника, распадаются в процессе диффузии к полевому электроду; свободные положительные ионы возвращаются к границе раздела 8102/8}, где вновь нейтрализуются. В результате у поверхности 8Юг возникает незатухающая циркуляция ионов, проявляющаяся в своеобразном типе стационарной ионно-электронной проводимости окисла с сублинейной вольтамперной характеристикой.
2 В кинетике ионной деполяризации окисла проявляются два этапа. На первом из них деполяризация происходит во время-пролетном режиме, в котором доминируют свободные ионы; на втором - ток деполяризации / определяется темпом туннельного распада нейтральных ассоциатов, не зависит от электрического поля и изменяется со временем / по квазигиперболическому закону (/осГ(,+л), а=сопз(<<I).
3 Ионная поляризация окисла ЗиМОП-транзисторов приводит при слое-
• л *у
вой плотности ионов 6-10 см'“ к более чем трехкратному увеличению эффективной подвижности электронов в инверсионном канале; максимальные значения подвижности при 7Ъ=293К достигают 2645см2/В-с.
4 Наблюдения кинетики генерации неосновных носителей заряда в п-Б}-МОГ1-структурах позволяют установить неэффективность классического канала рождения электронно-дырочных пар через пограничные центры генерации.
5 Имитация эффекта периферической генерации неосновных носителей заряда в ЗьМОП-структурах с планарно-неоднородным окислом позволяет установить, что переход образца в равновесное состояние инверсии лимитируется затухающим со временем темпом рождения электронно-дырочных пар по периферии полевого электрода.
17
6 В n-Si-МОП-структурах с туннельно проницаемым окислом Fia зависимостях тока генерации неосновных носителей заряда от времени /(/) проявляются резкие пики, обусловленные туннельным эффектом и ударной генерацией электронно-дырочных пар протуннелировавшими в Si горячими электронами. Разность интегралов от кривой /(/) и тока термической генерации дырок позволяет выделить вклад в полный ток I(t) ударной генерации дырок, идентифицировать туннельную вольтамперную характеристику, найти коэффициент ударной ионизации (1,2±0,2) и энергию горячих электронов (4,23эВ).
7 Равновесные емкости МОП-структуры С и области пространственного заряда полупроводника С5 связаны фундаментальным соотношением dCT2/dVg=dCs~2/d щ, обусловливающим эквидистантность прямых Шоттки C2(Vg) и С5~2Ш при обедняющих потенциалах полевого электрода Vs и соответствующих им поверхностных потенциалах полупроводника if/s. По этим характеристикам определяются напряжение «плоских зон», «емкость окисла» и находятся зависимости i//s(Vg) и падения напряжения на окисле В резуль-
тате, впервые без использования каких-либо подгоночных параметров и предположений о состояниях электронного газа при сильном обогащении и глубокой инверсии наблюдаемый сквозь окисел туннельный ток /,(Vg) представляется в терминах физически адекватной переменной
Достоверность полученных данных подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве объектов исследования и признанием результатов работ научной общественностью. О надежности результатов исследований свидетельствуют также:
- высокий класс точности цифровых измерительных приборов;
- достаточно низкие случайные погрешности определения базовых электрофизических параметров исследованных структур;
- качественное и количественное согласие данных наблюдений с теоретическими представлениями, вытекающими из оригинальных и общепринятых физических моделей;
18
- согласие полученных данных с данными независимых работ в областях перекрытия условий экспериментов.
Личный вклад автора.
Все представленные в работе результаты, выводы, рекомендации и научные положения принадлежат лично автору. Эксперименты и обработка их результатов выполнены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Соавторы участвовали в обсуждении результатов экспериментов и в развитии интерпретации некоторых механизмов изучавшихся физических процессов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Диэлектрики-97» (г.Санкт-Петербург, 1997г.), 3-й Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (г.Александров, 1997г.), Международной конференции «Полупроводники 97» (г.Москва, 1997г.), 4-й Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (г.Александров, 1999г.), 9-й Международной конференции «Диэлектрики-2000» (г.Санкт-Петербург, 2000г.), International Conference «Micro- and nanoelectronics - 2003» (Moscow-Zvenigorod, 2003), 10-й Международной конференции «Диэлектрики-2004» (г.Санкт-Петербург, 2004г.), III Научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству 2006» (г.Фрязино, 2006г.), International conference «Micro- and nanoelectronics -2007» (Moscow-Zvenigorod, 2007), 1-ой Международной научной конференции «НАНО-2008» «Наноструктурные материал гл-2008: Беларусь-Россия-Украина» (г.Минск, 2008г.), 11-й Международной конференции «Диэлектрики-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008г.), 16-th International Symposium «Nanostructures: physics and technology» (г.Владивосток, 2008г.), 8-ой Международной конференции «Химия твёрдого тела и современные мик-ро и нанотехнологии» (г.Кисловодск, 2008г.) и научных семинарах ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, ИОФАН, МИЭТ, ФТИАН.
19
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатные работы. Соответствующие ссылки отмечены знаком *.
Автор глубоко признателен академику Ю.В.Гуляеву и профессору
A.Г.Ждану за постоянное внимание к работе и ценные советы, а также сотрудникам лаборатории Е.И.Гольдману, И.Б.Гуляеву, Н.Ф.Кухарской,
B.Г.Нарышкиной, Е.Л.Новиковой и Р.В.Панченко за доброжелательную конструктивную помощь в проведении исследований и в подготовке диссертации.
20
- Київ+380960830922