Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью создания прочных и однородных диэлектрических слоев на поверхности полупроводников С практической точки зрения основная задача заключается в определении условий получения окислов, обладающих высококачественными диэлектрическими свойствами, т к главной областью применения в микроэлектронике таких диэлектриков как Та205, Nb205, Si02 является производство оксидно-полупроводниковых конденсаторов и электронных приборов на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) В этом смысле технология анодного окисления позволяет с высокой точностью формировать толщину диэлектрического слоя, управлять электрофизическими свойствами объема и границы окисел-полупроводник Перенос вещества приводит к образованию фазы со значительными отклонениями от равновесного состояния, что является результатом появления подвижных примесных и собственных дефектов, внедренных в междоузлия или расположенных в узлах структуры Такое неравновесное состояние сохраняется достаточно длительное время и проявляется в существовании фаз с отклонением от стехиометрии, возникновении высокой концентрации заряженных дефектов и появлении электретных свойств вещества Соответственно в некристаллических анодных окислах при термообработках, облучении и полевых воздействиях, а иногда и спонтанно могут происходить структурные изменения, которые оказывают значительное влияние на стабильность и долговечность работы создаваемых электронных приборов В этом контексте актуальной задачей представляется исследование анодного окисления с точки зрения модели диффузионно-дрейфового переноса вещества, который происходит в условиях образования новой фазы Изучение кинетических параметров процесса анодного окисления дает возможность целенаправленно совершенствовать технологию формирования анодных пленок с регулируемой величиной встроенного заряда в объеме окисла и на границе с полупроводниковой подложкой
Несмотря на длительное применение структур металл-диэлектрик-полупроводник в микроэлектронике, продолжается исследование таких систем и поиск путей улучшения их характеристик В настоящее время основные усилия направлены на использование новых материалов, совершенствование методов нанесения диэлектрических пленок, получение высококачественной границы полупроводник-диэлектрик В данных направлениях интенсивно ведутся работы по созданию фотоприемных устройств в виде матриц с высокой плотностью чувствительных элементов Основой для создания многоэлементных фото прием НИКОВ в
интервале длин волн Х=2 5-3 05 мкм являются структуры металл диэлектрик полупроводник на арсениде индия Все технологические процессы на InAs необходимо производить при температуре менее 250С, так как при более высоких температурных воздействиях происходит разрушение поверхности полупроводника Использование низкотемпературной технологии анодного окисления, позволяет получать структуры InAs с собственным окислом в качестве диэлектрика
В качестве перспективного материала для создания диэлектрического слоя МДП структур рассматривается и окисел тантала Окисел тантала используется как просветляющее покрытие в оптике, обладает высокой химической и термической стойкостью, большими значениями диэлектрической проницаемости (є =27) и удельного сопротивления (р =1012 - 1014 Ом см) Структуры Si-Ta205 применяются для создания элементов памяти больших интегральных схем (БИС), в работе которых главную роль играют процессы накопления, хранения и удаления заряда в диэлектрике
Измерение фотоэлектрических параметров анодных окислов, исследование спектра энергетических состояний в диэлектрических пленках Та205 и в собственном анодном окисле (САО) на поверхности InAs, определение величины потенциальных барьеров на межфазных границах, изучение закономерностей накопления заряда и распределения его в диэлектрике, позволяет прогнозировать стабильность работы создаваемых фотоматриц и элементов памяти больших интегральных схем С этой же точки зрения, представляется актуальным вопрос модификации методик, направленных на увеличение информативности определения параметров переноса и распределения заряда в окисле МДП структуры
Изучение этих проблем представляет не только самостоятельный научный интерес, но имеет большое значение для совершенствования технологии выращивания диэлектрических слоев и улучшения опто-электронных характеристик фотоприемных устройств
Цель работы состоит в исследовании неравновесных процессов при формировании анодных оксидных слоев сложного состава на полупроводниках при накоплении объемного заряда как в процессе формирования анодных окислов, так и при внешних воздействиях на сформированные МДП структуры
Основные задачи исследования:
Разработка методик формирования структур Si-Ta205, InAs-
САО с анодным окислом на поверхности полупроводников и исследование влияния параметров окисления на электрофизические характеристики создаваемых МДП структур
Развитие диффузионно-дрейфовой модели с подвижной границей для процесса анодного окисления и определение кинетических параметров реакции образования анодного окисла
Исследование процесса накопления заряда в МДП структурах Si-Ta205-Me, InAs-CAO-Me при ультрафиолетовом фотовозбуждении
Разработка методики определения характеристик неравновесных носителей (подвижность, квантовый выход) на основе измерений переходных фототоков в МДП структурах
Анализ методов и выбор оптимального способа решения интегрального уравнения применительно к расчету распределения радиаци-онно-индуцированного заряда в диэлектрических слоях МДП структур
Научная новизна и состоит в том, что впервые:
Исследовано влияние режимов окисления на электрофизические характеристики создаваемых МДП структур Si-Ta205 и показано, что в окисле Та2С>5 после завершения процесса анодного окисления находится значительный отрицательный заряд Nox >1013см "2
Реакция анодного окисления рассмотрена с позиций диффузионно-дрейфовой модели с подвижной границей Рассчитаны кинетические параметры реакции образования окисла коэффициент диффузии D=8 10"21 м2/с, подвижность ц=3 10"19м2/В с, скорость химической реакции х=2,8 Ю"10м/с
Определены пороги фотоинжекции в структурах Si-Ta205 {hv ~ ~ 2 5 эВ) и собственной фотопроводимости окисла Та205 (hv ~ 4 0 эВ) Для структур InAs-CAO-Me порог собственной фотопроводимости равен hv ~ ~ 3 5 эВ, определено значение подвижности неравновесных дырок цр = 8 10"10 см2/В с и квантового выхода Y(E) =8 10"2
На основе решения интегральных уравнений с применением методов регуляризации получен вид распределения радиационно-индуцированного заряда в окислах МДП структур
Практическая ценность работы
Разработанная методика формирования анодного окисла на по
верхности полупроводников позволяет получать структуры Si-Ta205 и
InAs - САО пригодные для изготовления электронных устройств
Расчет кинетических параметров реакции образования анодного окисла, согласно принятой модели диффузионно-дрейфового переноса, предоставляет возможность определять оптимальные режимы окисления поверхности полупроводников, позволяющие снизить плотность поверхностных состояний на границе окисел-полупроводник и величину встроенного в окисном слое заряда
Исследование закономерностей накопления заряда в структурах Si-Ta205 - Me, InAs-CAO-Me при ультрафиолетовом облучении и распределения радиационно-индуцированного заряда в окисле МДП структур позволяет прогнозировать стабильность работы приборов на их основе
Основные положения выносимые на защиту:
Методика формирования анодных окислов на поверхности полупроводников в структурах Si-Ta205 и InAs - САО
Применение диффузионно-дрейфовой модели с подвижной границей для описания процесса анодного окисления и определение влияния технологических параметров образования окисла на его электрофизические свойства
Закономерности накопления заряда и его распределение в окисле при облучении структур
Методика расчета подвижности и квантового выхода неравновесных носителей заряда на основе измерений переходных фототоков в МДП структурах
Способ расчета распределения заряда на основе решения интегральных уравнений при послойном стравливании диэлектрика
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на
II Всесоюзной научной конференции Физика окисных пленок - Петрозаводск, 1987, III Всесоюзной конференции - Петрозаводск, 1991, Международной конференция "Диэлектрики - 97", Санкт-Петербург, РГПУ им А И Герцена, 9-й Международной конференции "Физика диэлектриков -2000", РГПУ им А И Герцена, 2000, Научных семинарах кафедры физики твердого тела ПетрГУ
Основные результаты опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций
По материалам диссертации опубликовано 10 работ Список основных публикаций приведен в конце автореферата
Вклад автора. Все экспериментальные исследования и теоретические расчеты проведены за период 1986 - 2007г при непосредственном участии автора, которым сформулированы и обоснованы все задачи диссертации В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения
Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, списка литературы Диссертация содержит 115 стр, включая 43 рисунка на 24 стр, 4 таблицы и 119 наименований библиографических ссылок на 9 стр
