Введение
Оглавление
4
Глава 1. Обзор литературы.......................................22
1.1. Обзор литературы по свойствам поверхностных состояний на границе диэлектрик-полупроводник в МДП структурах.........................22
1.2. Обзор литературы по влиянию условий ионной имплантации на структурные, люминесцентные и электрофизические свойства диодных структур с люминесценцией ионов Ег3+. ...........................3.0
Выводы и постановка задачи................................42
Глава 2. Технология изготовления и экспериментальные методы исследования образцов...........................................43
2.1. Технология изготовления МДП структур.......................43
2.2. Технология изготовления диодных структур с люминесценцией ионов Ег3\..............................................................46
2.3. Экспериментальные методы исследования свойств МДП и диодных структур................'.........................................53
2.4. Разработка метода измерения ВФХ диодных структур с повышенными значениями обратного тока р-п перехода и сопротивления базы. 58
Выводы к главе 2. .. . 67
Глава 3. Исследование влияния у-облучения на генерационно-рекомбинационные свойства МДП структу р......................68
3.1. Влияние у-облучения на генерационно-рекомбинационные свойства МДП структур....................................................68
3.2. Влияние флуктуаций встроенного заряда на скорость генерации-рекомбинации носителей заряда в МДП структуре через поверхностные состояния. 74
3.3. Влияние квазинепрерывного распределения поверхностных состояний на скорость генерации-рекомбинации носителей заряда в МДП структуре.
через непрерывные состояния в 003 полупроводника................85
Выводы к главе 3...........................................92
Глава 4. Влияние дозы имплантации ионов эрбия и ориентации подложки на электрофизические свойства светоизлучающих 8к(Ег,0) структур..........................................................94
4.1. Электрофизические свойства п-5п(Ег,0) структур с (100) ориентацией поверхности.......................................................94
4.2. Влияние ориентации подложки на образование структурных дефектов и оптически активных центров после отжига слоев 51, аморфизованных имплантацией ионов Ег и О.........................................98
4.3. Электрофизические свойства п-5п(Ег,0) структур с (111) ориентацией поверхности при аморфизующих дозах имплантации ионов Ег..........100
4.4. Особенности, возникающие в свойствах п-8к(Ег,0) (111) структур при предельно высоких дозах имплантации ионов Ег....................1.12
Выводы к главе 4. ..........................................123
Заключение 124
Список литературы
127
4
Введение
Практически во всех областях науки и техники используются приборы твердотельной электроники. Сфера применения твердотельных приборов постоянно расширяется, создаются принципиально новые приборы, инициирующие развитие промышленности в новых направлениях.
Управление свойствами твердотельных приборов обычно осуществляется посредством создания дефектов с необходимыми свойствами [1, 2]. Одним из видов создания таких дефектов является радиационное облучение [3]. Несмотря на то, что облучение может вносить в материал дефекты, которые могут ухудшить некоторые параметры материалов и приборов, интенсивно развивается научное направление — инженерия радиационных дефектов в технологии кремниевых приборов, позволяющее целенаправленно улучшать параметры облучаемых приборов.
Основным материалом современной твердотельной электроники является кремний. В силу уникальных свойств, как самого полупроводника, так и границы раздела 81-8102, кремний в обозримом будущем будет оставаться основным материалом твердотельной электроники. На сегодняшний день важной практической задачей является создание оптоэлектронных приборов на основе кремниевого материала. В частности, необходимо улучшить параметры выпускаемых фотоприёмных устройств и создать эффективные светоизлучающие приборы на основе кремния [4].
1. Анализ тенденций развития микроэлектроники указывает на то, что в будущем основную массу производимых микросхем будут составлять цифровые логические интегральные микросхемы, содержащие в качестве базового элемента МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистор [5]. В устройствах обработки цифровых и аналоговых сигналов уже сейчас широко применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в качестве
5
твердотельных фотоприемных устройств фоточувствительные ПЗС, работа которых также основана на базе МДП структур [6]. Однако, с повышением степени интеграции микросхем, при создании больших и сверхбольших интегральных микросхем всё большее влияние на работу приборов оказывает поверхность. Это вызвало необходимость более углубленного изучения дефектов около границы полупроводник-диэлектрик и выяснения их вклада в изменение параметров изготавливаемых приборов [7,8].
2. Считалось, что создание эффективных светоизлучающих структур на основе кремния невозможно, поскольку он является непрямозонным полупроводником. В [9 - 11] было предложено легировать кремний атомами редкоземельного элемента эрбия. Основное внимание привлекает переход во внутренней 4{ оболочке ионов Ег3+ из первого возбужденного 41 гз/2 в основное состояние 4115/2- Так как внутренняя 4£ оболочка экранирована внешними электронами, в этом переходе возникает узкая температурно-независимая линия люминесценции на длине волны —1.54 мкм. Эта линия интересна тем, что, с одной стороны энергия излучаемого фотона меньше ширины запрещенной зоны в кремнии (-1.12 эВ) и такое излучение в кремнии слабо поглощается, с другой стороны, длина волны соответствует "окну прозрачности" оптоволоконных линий передач. Светоизлучающие приборы на основе кремния, легированного эрбием могут использоваться в средствах оптоволоконной связи, а также дают возможность создания светоизлучающего кремниевого прибора, совместимого с технологией изготовления интегральных микросхем. Проблема заключается в том, что степень электрической и оптической активации ионов Ег3' относительно невелика (-10%), что обуславливает малый квантовый выход светодиодов на основе кремния легированного эрбием (8кЕг). Кроме того, в режиме инжекции р-п перехода наблюдается эффект температурного гашения электролюминесценции. Одним из основных методов введения Ег в 81, позволяющих получить светоизлучающие (8пЕг) структуры, в настоящее время является ионная
6
имплантация, однако имплантация тяжёлыми ионами приводит к созданию структурных дефектов, являющихся центрами безызлучателыюй рекомбинации.
Таким образом, как в случае кремниевых фотоприемных устройств, так и в случае кремниевых светоизлучающих структур, необходимо получение сведений о физических свойствах создаваемых дефектов в материале, для создания с помощью инженерии радиационных дефектов приборов с прогнозируемыми и контролируемыми характеристиками.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось развитие физических основ инженерии радиационных дефектов в диодных и МДП структурах, позволяющей изготавливать приборы с улучшенными параметрами.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) Исследовать влияние у-облучения на электрофизические параметры МДП структур и найти условия, позволяющие улучшить эти параметры;
2) Исследовать влияние условий ионной имплантации на электрофизические параметры светоизлучающих диодных структур, для увеличения интенсивности электролюминесценции ионов Ег3^ при комнатной температуре.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
1. Впервые наблюдался эффект увеличения эффективного генерационного времени жизни те3ффИ уменьшения скорости поверхностной генерации Б носителей заряда в кремниевых МДП структурах при их облучении у-квантами от источника ^Со;
2. Предложена модель генерации носителей заряда в МДП-структуре через поверхностные состояния с учетом флуктуаций встроенного заряда и туннельно-активационного транспорта носителей,
7
объясняющая аномальный ход зависимостей тРфф и б от дозы облучения;
3. В рамках данной модели получил объяснение значительный разброс теЭфф и б, наблюдающийся у МДП структур, изготовленных в едином технологическом цикле на одной пластине;
4. Показано, что с увеличением дозы облучения, а также в МДП структурах с высоким значением плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник транспорт носителей заряда при генерации меняется от туннельно-активационного к прыжковому, при этом значительно возрастает роль латеральной области МДП-структуры при переносе заряда;
5. Впервые, с помощью ионной имплантации ионов Ег в монокристаллический кремний, получены светоизлучающие диоды, у которых наблюдался эффект "температурного возгорания" электролюминесценции ионов Ег3+;
6. Установлено, что в светоизлучающих диодах, полученных с помощью ионной имплантации ионов Ег и О в монокристаллический кремний с ориентацией <111>, за эффект “температурного возгорания” электролюминесценции ионов Ег3~ отвечают дефекты, образующие энергетические уровни в нижней половине запрещенной зоны кремния;
7. При исследовании диодов с дозами имплантации Ег >3*10|4см“2 обнаружено, что в некотором температурном диапазоне ёмкость обратно смещённого диода может возрастать с ростом напряжения.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней:
1. Разработана технология изготовления, и изготовлены ПЗС с малыми генерационными токами и большими временами хранения заряда при комнатной температуре (способ защищен авторским свидетельством);
2. Выявлены физические механизмы, определяющие времена хранения заряда в ПЗС и их разброс по площади ПЗС матрицы;
3. Разработаны способы повышения однородности распределения времен хранения заряда и темповых токов по площади ПЗС матрицы, не ухудшающие остальных параметров МДП приборов;
4. Разработана технология изготовления и изготовлены светодиодные структуры на основе монокристаллического 81:Ег, в которых наблюдается температурное возгорание интенсивности электролюминесценции ионов Ег3*;
5. Разработана методика ёмкостного исследования диодных структур, при условии, что измеряемая ёмкость не может быть представлена двух элементной схемой замещения, реализованной в промышленных измерителях ёмкости.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Облучение у-квантами от источника 60Со МДП структуры на основе п-81 в режиме обогащения с дозами <105 рад позволяет уменьшить скорость поверхностной генерации и увеличить эффективное генерационное время жизни носителей заряда.
2. Уменьшение скорости поверхностной генерации и увеличение эффективного генерационного времени жизни носителей заряда обусловлено подавлением наиболее эффективных центров поверхностной генерации при у-облучении МДП структуры в режиме обогащения.
3. Имплантация ионов эрбия и кислорода с аморфизующей дозой в п-81(111) и последующая твердофазная эпитаксиальная перекристаллизация аморфизованного слоя сопровождаются образованием расположенных в нижней половине запрещенной зоны кремния глубоких уровней с концентрацией, превышающей концентрацию мелких уровней. Перезарядка этих уровней в области объемного заряда р+-п перехода в режиме лавинного пробоя
ответственна за температурное возгорание интенсивности линии электролюминесценции ионов Ег3* в некотором температурном диапазоне.
4. Увеличение емкости р-п перехода при увеличении обратного напряжения в некотором температурном диапазоне, наблюдаемое в обратно смещённом р+-п переходе, п-база которого сформирована с использованием имплантации ионов эрбия с дозой >91014 см'2 в п-81(111) и последующей твердофазной эпитаксиальной перекристаллизации, обусловлено образованием глубоких уровней в запрещённой зоне кремния с высокой концентрацией.
5. Концентрация носителей заряда в базе р+-п перехода с повышенными значениями обратного тока и сопротивления базы может быть определена с помощью измерителя импеданса, используя значения емкости и проводимости, измеренные при обратном смещении перехода, и номограмм, построенных на основе эталонных магазинов емкостей и проводимостей.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научно-техническом семинаре “Радиационная технология в производстве интегральных схем” (Воронеж, 1988), научно-техническом семинаре “Вопросы метрики полупроводников и диэлектриков” (Киев, 1988), совещании-семинаре “Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния в электронике” (Одесса, 1989), XI научно-технической конференции “Новые принципы формирования телевизионных изображений” (Ленинград, 1990), научно-технической конференции “Фундаментальные исследования в технических университетах” (Санкт-Петербург, 1997), VII межнациональном совещании “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 1997), Всероссийском совещании “Наноструктуры на основе
10
кремния и германия” (Н.Новгород, 1998), совещании “Нанофотоника” (Нижний Новгород, 1999), совещании “Нанофотоника” (Нижний Новгород, 2000), V Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы “Фундаментальные исследования в технических университетах” (Санкт-Петербург, 2001), международном симпозиуме "Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках" (Санкт-Петербург, 2001), IX Международной конференции и VIIÏ Школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов на его основе “КРЕМНИИ-2012” (Санкт-Петербург, 2012), а также на научных семинарах ОЛО «ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано: 23 печатные работы, из них 12 в российских и зарубежных реферируемых журналах по списку ВАК, 1 авторское свидетельство СССР на изобретение.
Список публикаций автора но теме работы.
1. Бузлюдный С.В. Влияние у-облучения на генерацию носителей заряда в МДП структурах на основе кремния [Текст] / Безлюдный С.В., Колесников Н.В., Санин К.В. , Суриков И.Н., Хансеваров Р.Ю., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1989 т.23. -
в.10. - с. 1888-1890.
Безлюдный C.B. Механизм генерации заряда в МДП структуре [Текст] / Безлюдный С.В., Карпов В.Г., Колесников Н.В., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1989. - т.23. - в.11. - с.2013-2018. Безлюдный С.В. Генерация носителей заряда через поверхностные состояния на границе диэлектрик-полупроводник [Текст] / Безлюдный
С.В., Карпов В.Г., Колесников Н.В., Якименко А.Н // Тезисы докладов совещания-семинара “Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния в электронике”. - Одесса, 5-9 июня 1989. - с.23. Безлюдный С.В. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1554669 по заявке № 4301043 от 20 июля 1987 г., зарегистрировано 1 декабря 1989 г.. Способ изготовления приборов с переносом заряда на основе МНОП структур [Текст] / Безлюдный С.В., Колесников Н.В., Патракеев С.П., Санин К.В. , Суриков И.Н., Хансеваров,, Р.Ю., Якименко А.Н. >
Якименко А.Н. Механизм генерации заряда в МДП структурах [Текст] / Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1991. - т.25. -
в.11. - с.958-961.
Колесников Н.В. Исследование концентрации локальных уровней и поверхностных состояний в у-облученных МДП структурах [Текст] /Колесников Н.В., Мальханов С.Е., Якименко А.Н. // Физика и техника полупроводников. - 1996. - т.30. - в.9. - с. 1691-1694 Мапьханов С.Е. Соотношение концентрации поверхностных состояний и радиационных дефёктов в гамма-облученных МДП структурах [Текст] / Мальханов С.Е., Якименко А.Н. // Материалы научно-технической конференции “Фундаментальные исследования в технических университетах”. - Санкт-Петербург, 16-17 июня 1997 г. -с.237-238.
Емельянов А.М. Влияние у-облучения на фотолюминесценцию кремния в структурах Si-Si02 [Текст] / Емельянов А.М., Якименко А.Н. //
12
Материалы VII межнационального совещания “Радиационная физика твердого тела”. - Севастополь, 30 июня - 5 июля 1997 г. - с.56.
9. EmeFyanov A.M. Anomalous temperature dependence of erbium-related electroluminescence in reverse biased silicon p-n junction [Text] / EmeFyanov A.M., Sobolev N.A., Yakimenko A.N. // Applied Physics Letters. - 1998. - V. 72. - No. 10. - p. 1223-1225.
10. Соболев H.A. Светоизлучающие диодные структуры на основе
монокристаллического Si:Er:0, работающие при комнатной температуре [Текст] / Соболев Н.А., Николаев Ю.А., Емельянов А.М., Штельмах К.Ф., Якименко А.Н., Тришенков М.А., Хакуашев П.Е., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. // Материалы Всероссийского
совещания “Наноструктуры на основе кремния и германия”. -
Н.Новгород, 10-13 марта 1998 г. - с.89-92.
11. Соболев Н.А. Светоизлучающие диодные структуры на основе
монокристаллического кремния, легированного эрбием и кислородом, работающие при комнатной температуре [Текст] / Соболев Н.А., Николаев Ю.А., Емельянов А.М., Штельмах К.Ф., Якименко А.Н., Тришенков М.А., Хакуашев П.Е., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. // Известия Академии наук. Серия физическая. - 1999. - т. 63. - № 2. - с. 388-391.
12. Соболев Н.А. Светоизлучающие структуры монокристаллического
кремния, легированного редкоземельными элементами: структурные, электрические и оптические свойства [Текст] / Соболев Н.А., Емельянов А.М., Р.Н.Кютт, Николаев Ю.А., Шек Е.И., Александров О.В., Захарьин А.О., Вдовин В.Н., Маковийчук М.И., Паршин Е.О., Якименко А.Н. // Материалы совещания “Нанофотоника”. - Н.Новгород, 15-18 марта 1999
г. - с.71-76.
13. Соболев Н.А. Возбуждение эрбиевой электролюминисценции горячими носителями при пробое р-n перехода и свойства Si:Er светоизлучающих структур [Текст] / Соболев Н.А., Емельянов А.М., Николаев Ю.А.,
- Киев+380960830922