Содержание
Введение 5
1 Кремниевые туннельные МОП структуры: понятие, общие сведения, история изучения 13
1.1 Об определении и свойствах туннельных МОП структур....................... 14
1.2 Краткий исторический обзор............................................... 19
1.3 Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике ..................................................................... 20
Выводы к Главе 1.............................................................. 30
2 Электрические характеристики приборов на основе туннельной МОП структуры 31
2.1 Сведения о технологии изготовления образцов.............................. 32
2.2 Некоторые технические детали измерений................................... 33
2.3 Туннельные МОП диоды................................................... 34
2.3.1 Случай умеренного легирования подложки............................ 30
2.3.2 Случай сильного легирования....................................... 40
2.4 Транзисторы с туннельным МОП эмиттером................................... 44
2.4.1 Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора ... 40
2.4.2 Утечки, неодномерные эффекты, воспроизводимость................... 00
2.4.3 Замечание о дуальности полевого и биполярного МОП транзисторов 03
2.5 Тиристоры................................................................ 04
2.6 Сравнение с данными других авторов....................................... 00
2.7 Структуры с МДП эмиттерами, отличными от системы А1/810г/51 .... 58
Выводы к Главе 2............................................................ 62
3 Моделирование электрических характеристик туннельных МОП структур в одномерном приближении 63
3.1 Основные физические вопросы............................................. 64
3.1.1 Туннелирование через слой диэлектрика.......................... 67
3.1.2 Туннелирование в полупроводнике ................................. 72
3.1.3 Эффект квантования в обогащенном слое ........................... 75
3.1.4 Эффект квантования в инверсионном слое........................... 80
3.1.5 Энергетическая релаксация инжектируемых электронов............... 84
2
3.1.С Баланс неосновных носителей при обратном смещении................. 89
3.2 Выбор параметров........................................................ 91
3.3 Вольтамперные характеристики туннельных МОП диодов...................... 94
3.4 Характеристики некоторых трехэлектродных МОП структур................... 97
3.4.1 Транзистор с туннельным эмиттером Al/Si02/nSi ................... 97
3.4.2 Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия 100
3.5 Эффекты, связанные с туннелированием в полупроводнике...................102
3.5.1 Двойное (тройное) туннелирование в МОП структуре.................102
3.5.2 Туннелирование зона-зона в кремнии...............................105
3.5.3 Резонансный транспорт.............................................108
Выводы к Главе 3.............................................................112
4 Электролюминесценция кремниевых туннельных МОП структур 113
4.1 Общее описание эффекта люминесценции....................................115
4.2 Техника записи спектров электролюминесценции............................125
4.2.1 Экспериментальная установка.......................................125
4.2.2 Математическая обработка результатов измерений....................127
4.3 Экспериментальные спектры электролюминесценции..........................131
4.3.1 Структуры Al/Si02/pSi, Al/Si02/nSi/p+Si, Al/SiOa/pSi/ p+Si.... 131
4.3.2 Структуры Al/Si02/nSi.............................................134
4.3.3 Наблюдение прямых излучательных переходов ........................136
4.4 Данные измерений интенсивности на фиксированной длине волны.............138
4.5 Моделирование спектров люминесценции методом Монте Карло................143
Выводы к Главе 4.............................................................145
5 Деградация и пробой диэлектрика в туннельной МОП структуре 146
5.1 Стойкость окисла к туннельному переносу заряда...........................147
5.2 Наблюдение деградации электрических характеристик приборов..............150
5.3 Снижение инжекционной способности МОП эмиттера..........................154
5.4 Влияние деградации на оптические характеристики.........................150
5.4.1 Изменение интенсивности свечения.................................156
5.4.2 Изменения формы спектров люминесценции...........................159
5.5 Поведение туннельной МОП структуры после мягкого пробоя.................162
5.5.1 Эффективное сопротивление и локализация пробитой области . . . 163
5.5.2 Усиление и бистабильность МОП структуры после пробоя ............168
5.5.3 Искажение характеристик люминесценции............................170
Выводы к Главе 5.............................................................173
6 Транзистор с туннельным МОП эмиттером как исследовательский инструмент 174
6.1 Уточнение параметров туннелирования через Si02 .........................175
6.1.1 Толщина туннельного барьера.......................................175
6.1.2 Эффективная масса дырки в тонком слое Si02........................178
6.2 Измерение параметров релаксации горячих электронов в Si.................185
3
6.2.1 Квантовый выход оже-ионизации в кремнии........................186
6.2.2 Темпы генерации фотонов в кремнии..............................192
6.3 Исследования ресурса туннельно-тонких пленок окисла...................195
Выводы к Главе 6..........................................................196
Заключение 198
Список работ, включенных в диссертацию 201
Библиография 210
4
Введение
Под туннельной МОП структурой (англ.: MOS tunnel structure) понимается структура Металл-Окисел-Полупроводник, перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомеханического туннелирования. Толщина диэлектрика (SiC^) в таких структурах составляет менее 4 нм. Слово ’’полупроводник” в данном контексте почти всегда означает ’’кремний”, в качестве ’’металла” обычно выступают Al, Au или сильнолегированнный поликремний (polySi).
Туннельные МОП структуры представляют собой весьма интересные для изучения физические объекты, имеющие реальные перспективы приборных применений. Их поведение, особенно в режиме инверсии/обеднения, значительно отличается от поведения толстых МОП структур, поскольку протекание тока оказывает существенное влияние на распределение прикладываемого смещения. Потенциалом инверсионного слоя и, следовательно, величиной сквозного тока можно управлять во многом независимо от напряжения на всей структуре. Ввиду асимметрии туннелирования электронов и дырок, туннельная МОП структура на подложке nSi способна усиливать созданный в ней или введенный в нее дырочный ток. На этих принципах работают биполярные (фото)транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Кроме того, как было недавно продемонстрировано, наличие туннелирования через окисел не является препятствием и на пути использования туннельной МОП структуры в качестве затворной секции полевого транзистора (с обычным управлением). Имеется также ряд других МОП приборов с туннельно-тонким диэлектриком: диоды, тиристоры, солнечные элементы.
Большое разнообразие весьма любопытных свойств туннельных МОП структур обусловлено инжекцией горячих носителей, которая имеет место практически всегда, так как напряжение на окисле реально составляет от долей до единиц Вольт. В процессе энергетической релаксации носителей в Si (чаще всего речь идет об электронах) происходят генерация новых электронно-дырочных пар, а также испускание световых квантов, то есть люминесценция. С помощью измерений на туннельных МОП структурах квантовый выход этих процессов может быть исследован количественно. Ток ударной генерации играет большую роль в
балансе токов в некоторых МОП приборах, а форма спектра излучения может служить своего рода индикатором состояния слоя БЮг-
На определенном полуколичественном уровне некоторые из упомянутых деталей поведения туннельных МОП структур изучались ранее. Как представляется, на сегодняшний день необходимо пополнение и уточнение информации о влиянии различных параметров окисла и подложки на свойства приборов, в особенности при высоких плотностях тока. Важной задачей остается также усовершенствование моделей туннельной МОП структуры; они должны не только учесть туннелирование электронов через окисел, но и охватить ряд других эффектов (приповерхностное квантование, протекание тока из валентной зоны 81, туннелирование в кремнии, ионизационные процессы). Назрела необходимость достижения определенности в части параметризации туннелирования.
Настоящая работа посвящается комплексному исследованию электрических и оптических свойств туннельных МОП структур. Акцент делается на эффектах, обусловленных инжекцией горячих электронов из металла в кремний. Продольному (в плоскости структуры) переносу заряда, а также эффектам в обедненной области Эц напрямую не связанным с инжекцией, отводится менее важное место.
Актуальность научного направления и темы представляется неоспоримой. Основным аргументом в пользу актуальности является то, что в современных полевых транзисторах толщины реально применяемых подзатворных диэлектриков, неуклонно снижаясь в связи с общими тенденциями миниатюризации, приблизились к туннельному диапазону (1-3 нм). Поэтому круг затрагиваемых в данной работе вопросов представляет прямой интерес для физики и техники базового элемента всей полупроводниковой электроники - полевого транзистора.
Целью диссертационной работы являлось
1) проведение подробного экспериментального исследования электрических характеристик диодов, транзисторов и тиристоров на основе туннельной МОП структуры - с уделением особого внимания инжекции горячих носителей в Б1 и эффектам их энергетической релаксации;
2) разработка аналитической модели для расчета электрических характеристик туннельных МОП структур, пригодной для любых парамет-
6
ров (уровень легирования, толщина ЗЮг, материал верхнего электрода: металл/поликремний) и любых режимов смещения;
3) комплексное изучение электролюминесценции кремниевых туннельных МОП структур: измерение и анализ спектров в различных режимах, сопоставление с данными для других излучающих кремниевых приборов и определение интенсивности свечения в абсолютных единицах;
4) феноменологическое исследование следствий деградации и пробоя диэлектрика в приборах на основе туннельных МОП структур, а также выявление взаимосвязи между повреждением окисла и изменениями люминесцентных свойств образцов;
5) анализ возможностей использования транзистора с туннельным МОП эмиттером как инструмента для измерения параметров туннелирования (эффективных масс в окисле) и параметров энергетической релаксации горячих электронов в кремнии.
Основные положенияу выносимые па защиту, и их новизна
1. При положительном смещении на подложке туннельная МОП структура представляет собой инжектор квазимоноэнергетичных горячих электронов в кремний. Энергия инжекции Ещ определяется разностью между уровнем Ферми металла и краем зоны проводимости 81 за пределами инверсного или обогащенного слоя; она регулируется напряжениями на клеммах структуры и может на практике достигать нескольких эВ.
2. Электрические и оптические (люминесцентные) свойства приборов на основе туннельной МОП структуры: туннельных диодов, транзисторов и тиристоров с туннельным МОП эмиттером, - в значительной степени определяются свойствами инжектора й условиями энергетической релаксации горячих носителей в кремнии.
3. В обратносмещенной туннельной МОП структуре А1/8Ю2/п81, благодаря совместному действию оже-ионизации атомов кремния инжектируемыми электронами и ударной ионизации, возникает положительная обратная связь по току, что приводит к бистабильности (а иногда и мультистабильности) структуры в некотором диапазоне напряжений.
4. Коэффициент инжекции системы А1/8Ю2/п81 снижается при уменьшении толщины 8Юг и при снижении легирования (в сопоставимых режимах). Это сказывается на усилении транзистора с туннельным
7
МОП эмиттером и на величине напряжения его переключения У8У}. Рост У8и, с уменьшением ТУр связан также с ослаблением поля в области объемного заряда, снижающим эффективность ударной ионизации.
5. Туннелирование в подложке является важным механизмом переноса заряда в туннельной МОП структуре, в особенности при сильном легировании. Его модельный учет приводит к возрастанию предсказываемых сквозных токов. Туннелирование зона-зона в Э1 - при изгибе зон более Ед - способствует поддержанию инверсии. Еще одним эффектом туннелирования в полупроводнике является резонансный перенос электронов через дискретные квантовые уровни в области интерфейса
6. Разработанная модель позволяет проводить расчеты электрических характеристик туннельных МОП структур в самых различных ситуациях: любой уровень легирования, прямое или обратное смещение, металлический или поликремниевый электрод, любые режимы управления потенциалом инверсного слоя в подложке, - с претензией на количественную точность. При этом должны использоваться следующие значения параметров туннелирования: высоты барьеров как в толстой МОП структуре, эффективные массы в окисле для электронов те = 0.42шо и дырок пп)к — О.ЗЗто.
7. Излучательные переходы в кремнии являются одним из важных каналов релаксации инжектируемых в МОП структуре электронов. Туннельные МОП структуры люминесцируют; форма соответствующего спектра зависит от Ещ, а также (в случае инверсии) от величины электрического поля в обедненной области. Выделяются вклады разных механизмов люминесценции, в частности прямых внутризонных и рекомбинационных переходов, в полную интенсивность.
8. Так как люминесцентные характеристики весьма чувствительны к повреждению ЭЮг, их можно использовать для мониторинга деградации и пробоя туннельно-тонкого окисла.
9. Стойкость туннельной МОП структуры к протеканию тока в режиме прямого туннелирования значительно выше, чем ее же стойкость (и чем стойкость структур с более толстым диэлектриком) в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма. Величина заряда С}9ь<1} перенос которого приводит к пробою вЮг, для случая прямого туннелирования может достигать 107 Кл/см2, что достаточно для приборных применений.
10. Транзистор с туннельным МОП эмиттером может служить удобным метрологическим инструментом для исследования параметров туннелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. Определенное с его помощью значение эффективной массы дырок в тонком слое Si02 равно т/, = О.ЗЗгао; величина квантового выхода P(Einj) оже-ионизации при E{nj ~ 1.5 эВ составляет единицы процентов.
Перечисленные положения сформулированы на основе новых результатов, полученных в диссертационной работе.
Научно-практическая значимость работы состоит в том, что в ней подробно теоретически и экспериментально исследован комплекс эффектов, связанных со сквозным переносом заряда в туннельной МОП структуре с толщиной пленки диоксида кремния 1-3 нм. Помимо традиционно рассматриваемого туннелирования электронов через БЮг, проанализирован ряд дополнительных эффектов, таких как туннельный перенос заряда в кремнии, влияние дырочной компоненты туннельного тока, релаксация (в том числе через излучательные переходы) инжектируемых в Si горячих носителей. Кроме того, в работе было независимо определено несколько важных параметров Si и Si О 2*’ эффективная масса дырок в тонком окисле, квантовый выход оже-ионизации в кремнии, темп испускания фотонов в кремнии. Проведенное исследование имеет значение для применений туннельной МОП структуры в качестве инжектора горячих носителей в Si, например в транзисторе с туннельным МОП эмиттером. Оно может также представить интерес для исследователей полевых транзисторов с подзатворным окислом манометровой толщины.
Апробация работы - Результаты диссертационной работы докладывались на 1-й, 2-й и 3-й Российских Конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), на ’’Humboldt-Kolleg Conference” (St.-Petersburg, 2005), а также на международных конференциях: International Conferences on Solid State Devices and Materials [SSDM] (Makhuhari, 1993; Yokohama, 1994), Japan; International Conference on the low-dimensional systems, Chernogolovka, Russia (1993); European Material Research Society [E-MRS] Spring Meetings, Strasbourg, France (1996; 1999); International Semiconductor Conference
9
[CAS], Sinaia, Romania (1996); International Conference on Microelectronics [MIEL], Nis, Yugoslavia (1997); International Conference on Simulation of Semiconductor Processes And Devices [SISPAD], Leuven, Belgium (1998); Conferences on INsulating Films On Semiconductors [INFOS], (Kloster Banz, Germany, 1999; Udine, Italy, 2001; Barcelona, Spain, 2003); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000; 2002); Workshop on Dielectrics in Microelectronics [WoDiM], Munich, Germany (2000); European Workshop on ULtimate Integration of Silicon [ULIS], Munich, Germany (2002); European Solid-State Device Research Conference [ESSDERC], (Firenze, Italy, 2002; Estoril, Portugal, 2003).
С использованием материалов диссертации автором сделано три приглашенных доклада: в Mikroelektronik Centret, Lyngby, Denmark (1999), в Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, München, Germany (2000) и в Technische Fakultät der Universität Kiel, Germany (2003).
Кроме того, результаты работы обсуждались на семинарах отдела Сильноточной Электроники ФТИ РАН.
Публикации - По материалам диссертации опубликовано 73 научных работы, в том числе 50 статей в реферируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Solid-State Electronics, IEEE Transactions on Electron Devices, Microelectronics Engineering и других.
Личный вклад автора - Представленные.результаты получены либо лично автором диссертации, либо при его активном участии. В случаях, когда в диссертации приводятся данные, вошедшие в публикации автора, но полученные другими соавторами, это оговаривается.
Структура и объем диссертации - Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Ее полный объем составляет 230 страниц (печать через 1.5 интервала), количество рисунков 94, список литературы содержит 210 наименований.
Опубликованные работы самого автора в этот список не включены и перечислены - также в конце диссертации - отдельно. Ссылки на них, в отличие от ссылок на работы других авторов, в тексте сопровождаются звездочкой (например, [1*]).
10
Содержание работы
В настоящем введении в максимально сжатой форме описан предмет диссертационного исследования - туннельная МОП структура, очерчен круг затрагиваемых вопросов, объяснена их*актуальность, сформулированы цели работы, а также положения, выносимые на защиту. Кроме того, дана краткая общая характеристика диссертации и сообщены формальные сведения о ней (объем, число публикаций и т. п.).
Первая глава посвящена литературному обзору и истории исследования туннельных МОП структур. По ходу обзора приводится более подробное, чем во введении, описание свойств туннельной структуры, а также определяется ее роль в современной твердотельной электронике. Особое внимание уделяется публикациям, посвященным МОП структуре как инжектору и моделированию туннельных токов.
Во второй главе обсуждаются данные экспериментального исследования электрических характеристик приборов- на основе кремниевых туннельных МОП структур, изготовленных нами. Рассматриваются диоды, оже-транзисторы и тиристоры с туннельным МОП эмиттером. Отдельный параграф посвящен сильнолегированным структурам. Теоретические сведения в этой главе приведены лишь в минимальном объеме, необходимом для трактовки результатов измерений.
Третья, наибольшая по объему, глава содержит описание разработанных нами аналитических моделей и примеры результатов расчета электрических характеристик туннельных МОП структур. Обсуждаются формулы для токов через ЭЮг, способы учета туннелирования в и резонансного туннелирования. В рамках моделей рассматриваются эффекты квантования в индуцированном инверсном/обогащенном слое, процесс релаксации носителей в кремнии, его влияние на баланс токов в режиме инверсии. Обосновывается выбор параметров.
Глава четвертая целиком посвящена впервые проведенному (в основном, экспериментальному) исследованию люминесцентных свойств туннельных МОП структур. Приводятся измеренные спектры электролюминесценции различных МОП приборов. Рассматривается роль излуча-тельных процессов разных типов в в формировании спектра. Анализируются детали спектров и других характеристик люминесценции, отражающие особенности зонной структуры материала кремния.
11
Предметом пятой главы является изучение деградации и пробоя окисла в туннельной МОП структуре. Проведенное исследование на эту тему носит феноменологический характер - систематизируются проявления деградации и пробоя в изменении свойств туннельного МОП инжектора. Впервые, наряду с изменением электрических характеристик, рассматриваются и оптические.
В шестой главе анализируются возможности использования одного из приборов на основе МОП структуры - транзистора с туннельным МОП эмиттером - как инструмента для исследования некоторых физических параметров. Речь идет, в частности, об измерении квантового выхода оже-ионизации в кремнии, параметров туннелирования через слой БіОг и темпов генерации фотонов в кремнии.
В заключении подводятся итоги диссертационной работы.
12
Глава 1
Кремниевые туннельные МОП структуры: понятие, общие сведения, история изучения
В первой Главе мы сообщим необходимую начальную информацию о туннельных МОП структурах как объектах, а также сделаем обзор литературы, посвященной исследованию кремниевых приборов с туннельнотонким диэлектриком.
Будет обсужден (раздел 1.1) критерий отнесения МОП структуры к разряду ’’туннельных” и на простейшем уровне рассмотрен вопрос об ее зонных диаграммах, решение которого лежит в основе объяснения почти всех физических свойств. В частности, будет показано, что при анализе поведения туннельной МОП системы далеко не всегда можно применять электростатическую модель структуры с непроницаемым слоем окисла, вычисляя токи лишь на заключительной стадии.
Представляя историю туннельных МОП структур, мы выделим два этапа: от конца 1960-х до середины 1990-х гг. (раздел 1.2) и последующий период (1.3). На первом этапе были изготовлены различные структуры с туннельно-тонкими пленками диэлектрика, отработана технология и заложены основы теории таких структур. Второй этап ознаменовался применением туннельных диэлектриков в качестве подзатворных в полевых транзисторах. Данная работа выполнялась .с 1992 но 2006 гг., поэтому последнее обстоятельство значительно повысило актуальность исследований и их практическую ценность.
13
1.1 Об определении и свойствах туннельных МОП структур
Как известно из квантовой механики,
• туннельным эффектом называется прохождение частицы через потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию частицы ([1], стр. 328).
В трехслойных полупроводниковых гетероструктурах барьер может создаваться запрещенной зоной материала среднего слоя [2, 3]. В МОП структурах таким материалом является диоксид кремния; ширина его запрещенной зоны составляет около 9 эВ [4]. Поскольку при туннельном прохождении энергия частицы Е не изменяется, его часто символически изображают горизонтальной линией, которая наносится на энергетическую зонную диаграмму структуры (Рис. 1.1).
metal
е
therm.emiss.
0 — \ - IFN [Е
'//// е DT
.0
b)
Al Si02
Si
Рис. 1.1: а) Туннельная МОП структура; Ь) Механизмы переноса электронов из металла в зону проводимости кремния; с) Режим ЭТ для дырок и ПЭД для электронов (пример).
• В зависимости от того, пересекает линия постоянной энергии трапецоид или треугольник, говорят, соответственно, о прямом туннелировании (англ.: direct tunneling, DT) или об инжекции Фаулера-Нордгейма (англ.: Fowler-Nordheim injection, IFN) [5, 6].
• Как правило, наибольший вклад в ток дает перенос частиц с энергиями вблизи уровней или квазиуровней Ферми (Рис. 1.1с): положение именно этих уровней определяет, какой тип туннелирования - DT или IFN - доминирует в данном режиме смещения.
14
Отметим, что в системе металл/ЗЮгу^ переход от БТ к для дырок происходит при более сильном поле в окисле, чем для электронов. Надбарьерное прохождение называют термоэлектронной эмиссией.
Различение режимов БТ и ПИМ имеет не только формальный смысл. Некоторые свойства МОП систем, в частности скорость деградации окисла, сильно зависят от того, попадают или нет транспортируемые электроны в разрешенную зону БЮг (см. в Главе 5).
Согласно определению, сформулированному во введении,
• туннельной МОП структурой называется МОП структура, заметный перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомеханического туннелирования.
Уточнение "прямого” принципиально, так как иначе любая структура могла бы считаться туннельной: при повышении напряжения поле в диэлектрике в конце концов окажется достаточным для активации 1БМ при произвольной толщине 8102- Но прямое туннелирование (БТ) способно обеспечить протекание заметного тока только в случае тонкого окисла. Точного разграничения, какие величины плотности тока считаются ”за-метными”, а какие нет, не существует. Однако,
• весьма неплохим критерием отнесения МОП структуры к разряду туннельных может служить сопоставление токов БТ через 8102 (оцениваемых в предположении существования единого уровня Ферми для электронов и дырок в полупроводнике) с типичными величинами тока термогенерации в Эь
Как будет понятно из дальнейшего, такой критерий связан с особенностями поведения МОП структуры. На Рис. 1.2 показаны напряжения на окисле |[/|, при которых туннельный ток электронов, рассчитываемый по простым формулам [7], сравнивается с (условно положено Ль = = Ю“6 А/см2). Если д|[/| не превышает ~ 3 эВ (высота барьера),
то МОП структура может считаться туннельной.
Очевидно, что
• электрические и оптические свойства туннельных, равно как и нетуннельных, МОП структур в решающей степени определяются механизмом распределения приложенного напряжения.
15
6
5
4
S 2
1 О
О 10 20 30 40 50 60 70
oxide thickness d, Angstr.
Рис. 1.2: Оценка границы по толщине БіОг между туннельными и нетуннельными МОП структурами.
Под ’’электрическими свойствами” здесь имеется в виду вид вольтампер-ных и вольтфарадных кривых, а под ’’оптическими свойствами” - форма спектра излучения. Происхождение люминесценции МОП структур связано с тем, что носители попадают в кремний из металла с энергиями, намного превышающими тепловую энергию кТ> и могут, релаксируя, испускать фотоны [8]. Кроме того, эти же носители могут создавать новые электронно-дырочные пары, ионизуя атомы Si [9-11]. Эффективность упомянутых процессов определяется энергией инжекции, зависящей, в основном, от напряжения на слое Si02, и полем в кремнии.
Для ’’толстых” МОП структур вопрос о распределении напряжения (другими словами, о виде энергетической зонной диаграммы) давно решен [12-14]: грубо можно сказать, что практически все приложенное смещение - для обеих полярностей - оказывается на диэлектрике, а изгиб зон в кремнии невелик. Ниже мы проанализируем отклонения, возникающие в случае туннельно-тонкого окисла (Рис. 1.3).
• Как и в МОП структурах без переноса заряда через диэлектрик, в туннельной МОП структуре могут реализовываться состояния аккумуляции, обеднения и инверсии.
if и *0 ; j = exp [_4уЗД (у*/* - С*Р\]
; 1бя*Лхе4 3tyUl и* *• >]
forDT: а = (і-Уі-?|£/|/Хе)'\ for TFN: a = 1, X* — ®
taken : %• e 3-15 «V, m. = 0.42mo, jo, - 10"e A/cm1
range
line \U\=xJq "tunnel”
16
ш?
Efiti
тпт?
Epm
\
Ëpn” ^Fp
Efii® Efp
Y- \
a)
b)
^Fn ^Fp
/ш ^Fp
«À /Д \
— * //^.... ------------------------------
Epm
/
7757
earner sources:
c)
none
weak
strong
Рис. 1.3: Энергетические зонные диаграммы МОП структур с толстым и туннельно-тонким диэлектриком (пример для случая подложки рБ1). а, Ь - режим аккумуляции; с, (1 -режим инверсии/обеднения.
В режиме аккумуляции напряжение на диэлектрике, а значит, и ток -однозначные функции напряжения на клеммах. Ситуация отличается от той, которая имеет место в структурах с непроницаемым диэлектриком, лишь фактом протекания тока.
В режиме инверсии/обеднения поведение туннельной МОП структуры гораздо сложнее. Дело в том, что уход неосновных носителей (дырок для случая подложки пЭ1 или электронов для рБ!) из инверсного слоя в металл должен компенсироваться их постоянным поступлением из толщи кремния. Такое поступление может быть обеспечено различными внутренними и внешними ”источниками”, природа которых обсуждается в Главе 2. Интенсивность этих ”источников” не является фиксированной. Изменяя ее искусственно, структурой можно управлять. Поэтому при одном и том же напряжении на клеммах могут существовать различные состояния туннельной МОП структуры, отличающиеся положением квазиуровня Ферми неосновных носителей, напряжением на окисле и -
17
соответственно - током. Всегда наличествующим ” источником” неосновных носителей является термогенерация (ток Если она относительно сильна, то поведение туннельной структуры в части, касающейся распределения напряжения, будет примерно соответствовать случаю непроницаемого диэлектрика. В противоположном пределе, когда термогенерация несущественна, распределение напряжения может стать таким же, как при нестационарном обеднении МОП структуры с толстым окислом [15]. Таким образом, в режиме инверсии/обеднения
• решение электростатической задачи о распределении приложенного смещения в туннельной МОП структуре требует иных подходов, чем для ”толстых” структур: необходим учет влияния протекающих токов, которые нельзя вычислять лишь в самом конце как нечто ” вторичное”.
Эта проблема подробно анализируется в параграфах 2.3.1 и 3.1.6.
В связи с указанными особенностями режима обеднения/инверсии, следует еще отметить, что любая нетуннельная МОП структура при достаточно высоком напряжении войдет в режим с заметным переносом неосновных носителей через 8102 по механизму ШМ. Для описания этого режима придется отказаться от электростатической модели для непроницаемого окисла, как и в случае туннельных структур.
В заключение параграфа представляется уместным - для ориентировки - перечислить характерные параметры туннельных МОП структур, хотя ясно, что, не привязываясь к конкретному типу структуры и режиму, это можно сделать лишь очень грубо:
• толщина БЮз составляет (I = 1-4 нм, ее разброс по площади а^ ~ 0.2 нм; поле пробоя пленки БЮг - (1.0... 1.2) • 107 В/см [16];
• типичные прикладываемые напряжения \У\: в аккумуляции - до 3-5 В, в режиме обеднения/инверсии - до десятков Вольт при умеренном легировании, единицы Вольт при сильном;
• максимальные реально достигаемые токи - около 103 А/см2;
• напряжение на окисле в рабочих режимах: |£/| ~ 1-3 В.
18
Следует подчеркнуть, что в этом параграфе дана лишь минимальная информация о физических принципах формирования энергетических зонных диаграмм туннельных МОП структур, без изложения которой было бы невозможно перейти к обзору литературы по обсуждаемой тематике. Вопрос о распределении напряжения в структурах с туннельно-тонким окислом детально рассматривается в Главах 2 и 3.
1.2 Краткий исторический обзор
История туннельных МОП структур началась на рубеже 1960-х -1970-х гг., когда были изготовлены первые образцы туннельных МОП диодов на вырожденных [17] и невырожденных [18,19] кремниевых подложках, а также появились теоретические разработки на эту тему [18, 20]. Результаты начального этапа исследования указанных структур обобщены в книге [21], а краткое обсуждение их характеристик включено в широко известную монографию С. Зи ([15], глава 9).
Интерес к изучению туннельных МОП структур был в определенной мере стимулирован становлением (1960-е гг.) и общим развитием электроники слоев ЭЮг на кремнии, обеспечившим необходимые технологические возможности для получения пленок диоксида кремния заданной толщины и приемлемого качества. С другой стороны, как раз в 1960-е гг. был выполнен ряд фундаментальных теоретических работ, посвященных туннелированию в тонких пленках (см. сборник [22]; среди выдающихся статей тех лет можно выделить [23, 24, 25]), которые привлекли большое внимание и послужили отправной точкой для проведения новых экспериментальных исследований по данной тематике.
В результате получилось, что
• туннельные МОП диоды, наряду с диодами Есаки [26], явились одними из первых полупроводниковых приборов, в которых удалось надежно зарегистрировать эффект квантовомеханического туннелирования заряженных частиц.
Тем самым туннельные МОП структуры существенно ’’приблизили” туннельный эффект к практике, так что стало возможным серьезно гово-
19
рить о его применениях в полупроводниковой технике [15] и окончательно устранить бытовавшие представления о туннелировании как об оторванном от реальности феномене квантовой механики.
Уже в первых исследованиях туннельных МОП структур отмечалась выраженная асимметрия измеряемых вольтамперных (1-У) кривых, обнаруживающая диодный характер поведения прибора (Рис. 1.4). Значительная разница между величинами токов, протекающих через образец при положительном и отрицательном смещениях на подложке, объяснялась существенным различием в распределении приложенного напряжения; причины этого мы рассмотрели в разделе 1.1. Была также обнаружена фоточувствительность туннельных МОП структур [18, 27].
Аи/БіСурБі
А1/БіСурБі
• теле, с/= 2Л5лт
(1 = 18-28 Апдви.
34 Алдэ^.
10"
І 10"
3
1<Г’°
Рис. 1.4: Первые результаты исследований туннельных МОП структур (из [18]): экспериментальные и расчетные вольтамперные характеристики образцов с электродами из А1 и Ад при невысоких напряжениях.
Степень асимметрии и форма 1-У кривых зависели, в частности, от работы выхода материала металлического электрода [15], от химического состава и качества слоя диэлектрика. На начальном этапе исследовались структуры с Сг, А1, Аи, Ті, другими металлами [18, 28, 29]; кроме того, и в качестве диэлектрика не всегда применялся БіОг - другими вариантами были, например, Біз^, АІ2О3. Но постепенно
• на достаточно длительное время (середина 1970-х - середина 1990-х гг.) наиболее интенсивно изучаемыми туннельными МОП структурами стали структуры АІ/ЗіОг/Бі, а также роїуЗі/ЗіОг/Зі.
Эти же материалы обычно применялись в МОП системах с толстым диэлектриком в полевых транзисторах с изолированным затвором.
20
Диапазон рассматриваемых напряжений смещения туннельной МОП структуры в работах 1970-х гг. часто ограничивался небольшими значениями, скажем 1-2 В, для обеих полярностей (например, в [18]). Соответственно, и достигаемые плотности тока были невысокими. Дело в том, что особенности протекания тока, связанные с перераспределением прикладываемого смещения между и ЭЮг, ярко проявляются уже при малых напряжениях, так что существенный выход за область, ограниченную V = 0 и напряжением плоских зон V = Урд, попросту не нужен, если речь идет только о демонстрации асимметрии характеристик. Кроме того, вполне вероятно, что в использованных в то время образцах поле пробоя окисла было несколько ниже, чем в современных структурах, что затрудняло измерения при увеличении напряжения.
Важным исключением в части выбора диапазона напряжений является работа [10] (и ссылка [1] там) выполненная в конце 1970-х - начале 1980-х гг., в которой изучались характеристики диодов А^ЭЮг/пЗ! при обратном (”+” на подложке) смещении. Было обнаружено, что такие структуры способны переключаться в низкоомное состояние, поддерживающееся за счет неосновных носителей (дырок), генерируемых в кремнии инжектируемыми из металла горячими электронами. Тем самым была продемонстрирована важность того факта, что электроны попадают в 81, обладая высокой (единицы эВ) энергией. Внешняя подсветка снижала напряжение переключения. К сожалению, эти работы не получили дальнейшего развития, кроме публикации [30] с участием тех же авторов, и к концу 1980-х гг. оказались практически забытыми.
Что касается приборных применений туннельных МОП структур, то в 1970-х - 1980-х гг. обсуждались следующие возможности (Рис. 1.5):
• туннельный МОП диод;
• солнечный элемент;
• транзистор с туннельным МОП эмиттером.
Принцип работы солнечного элемента на основе туннельной МОП структуры [31] состоит в том, что, поскольку напряжение плоских зон отлично от нуля, при освещении уменьшается изгиб зон в кремнии, подобно тому как это происходит в рп-переходе, - и появляется напряжение на клеммах. Функционирование транзистора с туннельным МОП эмиттером [32]
21