Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы исследования электронных процессов в структурах металл-оксид-полупроводник 10
1.1. Основные механизмы токопереноса в МОП структурах 10
1.1.1. Токи, ограниченные пространственным зарядом (ТОПЗ) 11
1.1.2. Эмиссия Шоттки 23
1.1.3. Эффект Пула-Френкеля 28
1.1.4. Туннельное прохождение электронов 31
1.1.5. Примесная (прыжковая) проводимость 32
1.2. Исследование МОП структур на переменном токе 33
1.2.1. Основные понятия теории комплексной диэлектрической проницаемости 33
1.3. Физические основы метода высокочастотных вольтфарад ных характеристик МДП структур- 40
1.3.1. Физическая модель поверхности полупроводника и области пространственного заряда 41
1.3.2. Электронные свойства структур металл-диэлектрикполупроводник- 48
ГЛАВА 2. Кремниевые моп структуры с нанокристаллическими пленками оксида цинка . 57
2.1. Общая характеристика и основные физические свойства тонких пленок оксида цинка 57
2.2. Методика эксперимента 60
2.3. Результаты и их обсуждение 63
2.4. Выводы 68
ГЛАВА 3. Кремниевые моп структуры с нанокристаллическими пленками триоксида вольфрама 70
3.1. Структурно-энергетические основы функциональных применений аморфных пленок триоксида вольфрама (а- W03) 70
3.1.1. Ближний атомный порядок в пленках я-\УОз и его изменение в процессах окрашивания, абсорбции и "старения" 71
3.1.2. Электронная структура и зарядовые состояния пленок триоксида вольфрама и гетероструктур Si/a-WOi 74
3.2. Влияние адсорбции паров воды на электрофизические характеристики МОП структур с пленками a-WO?, 80
3.2.1. Методика эксперимента 81
3.2.2. Полученные результаты и их обсуждение 82
3.3. Фазо- и дефектообразование в процессе оксидирования тонких пленок вольфрама на кремнии 88
3.4. Выводы 93
ГЛАВА 4. Структуры мдм с нанокристаллическими пленками оксида алюминия 94
4.1. Анодные оксидные пленки на поверхности алюминия 94
4.2. Методика эксперимента 99
4.3. Результаты эксперимента и их обсуждение 103
4.4. Выводы 108
Основные результаты и выводы 109
Литература 112
- Исследование МОП структур на переменном токе
- Ближний атомный порядок в пленках я-\УОз и его изменение в процессах окрашивания, абсорбции и "старения"
- Влияние адсорбции паров воды на электрофизические характеристики МОП структур с пленками a-WO?,
- Фазо- и дефектообразование в процессе оксидирования тонких пленок вольфрама на кремнии
Введение к работе
Актуальность темы Достижения современной электроники базируются на сочетании развитой теории физики конденсированного состояния с успехами в технологии получения качественных монокристаллов и структур на их основе, в первую очередь, в области пленочной технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов [1].
Наряду с этой генеральной линией, все большее значение приобретают фундаментальные и прикладные исследования материалов, отличающихся от идеализированных полупроводников и диэлектриков различными по характеру и масштабу пространственно-энергетическими неоднородностями, имеющих сложные профили распределения легирующей примеси и локализованных состояний на гетерограницах, нанокристаллических, аморфных, пористых, (микро)гетерогенных и гетерофазных. Такие материалы и структуры на их основе зачастую обладают рядом уникальных свойств, отсутствующих у их монокристаллических аналогов, что определяет актуальность их изучения и приоритет его прикладного аспекта.
Исследование функциональных гетероструктур с неупорядоченными (нанокристаллическими) полупроводниками формируется в самостоятельное научное направление на стыке наноэлектроники, сенсорики и полупроводникового материаловедения [2].
В большинстве современных устройств микроэлектроники активно действующей областью приборов, как правило, является тонкий слой полупроводника, приповерхностная область или граница раздела двух сред. Развитие планарной технологии привело к созданию структур типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Диэлектрическим слоем может служить весьма широкий круг материалов, включающий оксиды полупроводников и металлов, поэтому часто используют название МОП структуры.
Исследование электрофизических характеристик структур металл-оксид-полупроводник обычно включает измерение их вольт-фарадных характеристик (чаще всего высокочастотных) в случае диэлектрических
5 оксидных слоев и измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) на постоянном токе в случае оксидных слоев, обладающих относительно высокой проводимостью.
С расширением номенклатуры МОП структур различного назначения возрастает интерес к "диэлектрическим" материалам, функциональная реакция которых связана с изменением их электропроводности. Традиционный анализ механизмов токопереноса в структурах с такими материалами, имеющий целью определение величин барьеров на гетерограницах, концентраций собственных носителей заряда и ловушечных центров, основан на измерении статических ВАХ.
Представляя собой основу конструкций большого числа приборов, МДП структуры в то же время являются удобными объектами физических исследований, на которых могут быть выяснены механизмы электронных процессов, протекающих на границах раздела фаз, а также в самих полупроводниках и диэлектриках [3, 4].
Одной из принципиальных особенностей, характеризующих поверхность полупроводника или диэлектрика, а также границу раздела двух фаз, является изменение энергетического спектра для электронов на поверхности по сравнению с объемом материала. Это различие связано с существованием на поверхности полупроводников (и диэлектриков) поверхностных состояний (ПС), параметры которых могут существенно изменяться при разного рода внешних воздействиях.
Так как для гетерогенных систем зачастую характерен смешанный электронно-ионный механизм проводимости, важное значение приобретает исследование активной и реактивной составляющих проводимости в широком диапазоне частот переменного электрического поля [5]. Сложность и неоднозначность интерпретации результатов приводят к тому, что реальные достижения импедансной спектроскопии пока достаточно скромны и не имеют универсального характера.
Высокая частота измерительного сигнала в ряде случаев позволяет исключить большое число "медленных" электронных процессов в исследуемом материале, поэтому значительная часть представленных в настоящей работе результатов получена с использованием методики высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ) [6]. Возможности методики ВФХ в исследовании поверхностных состояний делают ее исключительно важной при изучении полупроводниковых адсорбционных сенсоров, функционирование которых напрямую связано с электронными процессами на поверхности.
Термодинамически стабильные при нормальных условиях стехиометрические фазы высших оксидов металлов, о которых пойдет речь в дальнейшем (WO3, ZnO, А120з), обладают шириной запрещенной зоны более 3 eV и могут быть отнесены к диэлектрическим материалам. Однако типичным дефектом таких материалов является дефицит в анионной подрешетке (кислородной), и в зависимости от степени отклонения от стехиометрии такие оксиды могут отличаться достаточно высокой электронной проводимостью и проявлять полупроводниковые свойства.
Тем не менее, в структурах с гораздо более узкозонным монокристаллическим кремнием они ведут себя как диэлектрики, и при приложении внешнего переменного электрического поля область пространственного заряда (ОПЗ) изменяется преимущественно в кремнии.
На возможность использования в МДП структурах широкозонных полупроводников, толщина которых меньше длины экранирования, в качестве подзатворного диэлектрика указывалось еще в ранних работах [7].
Цель работы установление характера протекания электронных процессов в кремниевых МОП структурах с оксидными пленками ZnO и W03 и структурах металл-анодный оксид-металл с оксидной пленкой АЬОз в зависимости от природы оксида, дефектности структуры и относительной влажности окружающей среды.
7 В задачи исследования входило:
1. Определение статических ВАХ структур Al/ZnO/n-Si с вакуумно-
конденсированными пленками оксида цинка, анализ механизмов
токопереноса и определение параметров электрически активных дефектов.
2. Измерение и анализ ВЧ ВФХ структур Ni/WCVn-Si с пленками оксида
вольфрама, сформированными термическим оксидированием вакуумно-
конденсированных слоев вольфрама на кремнии.
3. Исследование влияния сорбции паров воды на электрофизические
характеристики кремниевых МОП структур с аморфными пленками
триоксида вольфрама, полученными термическим вакуумным испарением.
4. Получение структур металл-анодный оксид-металл анодированием пленок
алюминия, определение их электрофизических и функциональных
характеристик в условиях различной относительной влажности.
5. Анализ и определение возможностей ВАХ, ВФХ в качестве методов
исследования электронных процессов в МОП структурах.
Научная новизна работы
Установлено, что возможными механизмами протекания тока в структуре Al/ZnO/n-Si с вакуумно-конденсированными пленками оксида цинка являются токи, ограниченные пространственным зарядом, и механизм Пула-Френкеля.
Предложена структурная модель объемного механизма газовой чувствительности аморфного триоксида вольфрама.
Обнаружена особенность вольт-фарадных характеристик МОП структур с поликристаллическим анион-дефицитным триоксидом вольфрама, состоящая в появлении моноэнергетического уровня на фоне непрерывного спектра поверхностных состояний.
Установлено, что структурно-стабилизированные аморфные пленки триоксида вольфрама обратимо сорбируют пары воды с заметным изменением электрофизических характеристик - диэлектрической проницаемости и проводимости; адсорбция паров воды не изменяет
8 зарядовых параметров структуры Al/a-WCVSi, ее ВЧ ВФХ показывают систематический рост емкости в обогащении с увеличением относительной влажности; зависимость этой емкости от относительной влажности отражает вид изотермы адсорбции паров воды для аморфного триоксида вольфрама. 5. Анодные оксидные пленки на алюминии способны обратимо сорбировать воду из окружающей атмосферы. При этом изменяются все основные электрофизические характеристики пленок. Изменение же емкости МДМ структуры с анодной оксидной пленкой AI2O3 с 14-И 7 пФ до ~ 950 пФ при варьировании относительной влажности от 0 % до 100 %, соответственно, более, чем на порядок превосходит аналогичные изменения, которыми характеризуются структуры с нанокристаллическими пленками триоксида вольфрама.
Практическая значимость исследований
1. Исследованные электрофизические характеристики структуры ZnO/Si
могут быть полезны при разработке газовых сенсоров и оптоэлектронных устройств.
Структурно-стабилизированные аморфные пленки триоксида вольфрама и кремниевые гетероструктуры на его основе могут быть использованы в качестве активного элемента газовых и химических сенсоров с объемным механизмом чувствительности к кислороду, водороду и водородсодержащим газам.
Конденсаторные структуры с пленками a-WC>3 и анодными оксидными пленками А120з могут быть использованы в качестве сенсоров влажности емкостного типа, имеющих достаточно высокие чувствительность и быстродействие, а также как инструмент исследования сорбционных и диффузионных характеристик этих материалов, отличающийся высокой чувствительностью и локальностью анализа.
На защиту выносятся;
1. Результаты исследования механизмов токопереноса в структуре
Al/ZnO/n-Si с вакуумно-конденсированными пленками оксида цинка.
Результаты исследования вольт-фарадных характеристик кремниевых МОП структур с поликристаллическими пленками WO3, полученными термооксидированием металла; особенности в спектре поверхностных состояний нестехиометрических слоев.
Результаты исследования влияния сорбции паров воды на электрофизические характеристики кремниевых МОП структур с аморфными пленками W03, полученными термическим напылением.
Результаты исследования влияния сорбции паров воды на электрофизические характеристики МДМ структур с аморфными пленками AI2O3, полученными оксидированием алюминия в гальваностатическом режиме.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены, докладывались и обсуждались на 12 Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2006); VII Международной научно-технической конференции "Кибернетика и высокие технологии XXI века" (Воронеж, 2006); Всероссийской научно-практической конференции "Современная химия. Теория, практика, экология" (Барнаул, 2006); III Всероссийской конференции "Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" (Воронеж, 2006).
Публикации По теме диссертации опубликованы две статьи, материалы двух конференций и тезисы двух докладов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела "Основные результаты и выводы" и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 122 страницы, включая 38 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 101 библиографическую ссылку.
Исследование МОП структур на переменном токе
Поскольку проводимость осложняет диэлектрические явления, принято непроводящие диэлектрики называть идеальными, а проводящие -неидеальными [11]. В неидеальном диэлектрике действует, во-первых, механизм поляризации, присущий идеальному диэлектрику, и, во-вторых, имеет место поляризация, обусловленная перемещением истинных зарядов на значительные расстояния под влиянием приложенного поля. Для описания поляризационных явлений в неидеальном диэлектрике на основе уравнений, формально аналогичных уравнениям, описывающим поляризацию идеальных диэлектриков, вводится понятие комплексной диэлектрической проницаемости. Необходимость обобщения понятия диэлектрической проницаемости обнаруживается при рассмотрении экспериментального метода изучения диэлектрических свойств проводящей системы с помощью конденсатора в переменном поле. Ток проводимости внутри конденсатора изменяет заряд на его пластинах; за время dt заряд на пластинах изменится на величину dQK0Hd Idt, так что Индекс «конд» означает, что здесь имеется в виду не полное изменение заряда на пластинах, а лишь та его часть, которая связана со сквозным током проводимости. Если заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону, то
Нам удобнее будет считать, что задано изменение во времени потенциала на пластинах V(t)=Voemt и соответственно тока сквозной проводимости I = Io emt, так как между / и V, согласно закону Ома, имеет место простая зависимость где G - проводимость конденсатора. Тогда, чтобы выразить QK0Hd через / необходимо проинтегрировать уравнение (14) слева и справа по /: В отсутствие сквозной проводимости и при практически мгновенном для данной частоты установлении поляризации диэлектрика заряд на обкладках конденсатора изменяется синфазно с разностью потенциалов. Этот заряд именуют индуктивным: Реальный конденсатор обладает индуктивными и кондуктивными свойствами, так что измеряемый полный заряд на пластинах конденсатора равен сумме индуктивного и кондуктивного зарядов. Учитывая формулы (17) и (18), можем записать Уравнение (19) обычно выражают в форме где комплексная емкость определяется как именуют мнимой частью емкости. Удобно проводимость конденсатора выразить через удельную проводимость вещества к и геометрические характеристики конденсатора: Подставляя (24) в (21), придадим последней следующий вид: Это выражение можно записать в форме где выступает как комплексный аналог диэлектрической проницаемости. Как видно из формул (21) и (26), є равно отношению измеряемого заряда конденсатора Qn0JlH к разности потенциалов между его обкладками V, т. е. в случае проводящего вещества є определяется точно так же, как є для непроводящего диэлектрика. Когда проводимость к на частоте со, отличается от проводимости при постоянном поле выражение для г может быть записано где Величина г", называемая диэлектрическими потерями, отражает вклад в потери энергии тех релаксационных процессов, которые происходят в системе в переменном поле. Таким образом, смещение по фазе Q(t) относительно V(t) связано с наличием частотно независимой «сквозной» проводимости к/ и конечным временем установления поляризации в веществе диэлектрика, определяющим є".
Любой процесс поляризации характеризуется конечным временем релаксации, так что на достаточно высоких частотах, когда период поля соизмерим со временем релаксации, становится заметным смещение по фазе между поляризацией и полем, что проявляется в диэлектрических потерях. В связи с изложенным ясно, что емкость и соответственно диэлектрическая проницаемость не только комплексные, но и частотно-зависящие величины. Зависимость є от частоты при наличии частотно-независимой проводимости непосредственно отражена в формуле (27). Действительная часть диэлектрической проницаемости є на не слишком низких частотах также является функцией частоты, так как поляризация начинает отставать от мгновенных значений электрического поля. Величину е"+4як/а . именуют фактором потерь. Количество тепла, выделяющегося за период, равно (l/2)Vo (є"+4жк/а ). Следовательно, е"+4жк/са пропорционально выделяющемуся теплу, что определяет введение термина фактор потерь. Тангенс угла потерь или фактор диссипации tgd, который используется как мера потерь энергии, определяется формулой
Ближний атомный порядок в пленках я-\УОз и его изменение в процессах окрашивания, абсорбции и "старения"
Из арсенала многочисленных методов тонкопленочной технологии для получения пленок д-\Оз наибольшее распространение получила вакуумная конденсация термически испаренного материала ввиду относительной простоты этого метода, его технологической совместимости с другими операциями формирования многослойных электрохромных структур, хорошим качеством получаемых пленок и возможности управления их свойствами [57]. В ряду безвакуумных способов получения пленок а-\\Юз представляет интерес метод алкоксотехнологии - гидролитического разложения алкоголятов вольфрама с последующей термообработкой [58]. Безвакуумные химические методы получения оксидных материалов для сенсоров в настоящее время интенсивно развиваются. Локальный атомный порядок в пленках д-\У03 изучали методом дифракции электронов высокой энергии "на просвет" и построения функций радиального распределения атомов (ФРРА) по стандартным методикам Фурье-преобразования. Исследовали структуру прозрачных вакуумно-конденсированных пленок я-\УОз и пленок, окрашенных инжекцией водорода в момент его выделения при реакции цинка с соляной кислотой (аналог электрохромного процесса); пленок, окрашенных восстановлением при нагреве в вакууме (термохромный процесс); а также изучали влияние на строение пленок a-WOi процессов абсорбции паров воды и "старения" [59]. В электрохромном процессе атомарный водород диссоциирует на каталитически активной поверхности a-WOy. электрон диффундируют в пленку триоксида вольфрама, обеспечивающую их пространственное и энергетическое разделение. Анализ ФРРА и сопоставление радиусов координационных сфер и координационных чисел с параметрами кристаллического \УОз позволяет заключить, что вакуумно-конденсированная пленка a-WCb построена из правильных вольфрам-кислородных октаэдров, соединенных вершинами, причем упорядоченность в их расположении имеет одномерный характер, и наиболее вероятным элементом структуры такой пленки является цепочка из трех октаэдров с углом связи W - О - W примерно 150. Такая конфигурация октаэдров является структурным мотивом гексагональной модификации W03.
При окрашивании инжекцией водорода \Об - октаэдр сохраняется неизменным, а перестройка локального порядка проявляется на ФРРА главным образом во второй координационной сфере и может быть представлена как взаимные развороты \Об - октаэдров и образование планарных группировок из четырех таких октаэдров. Конденсированные пленки a-WO представляют собой термодинамически неустойчивый объект, и стабилизация их структуры может влиять на способность пленок к обратимому окрашиванию. Высокая реакционная способность пленок a-WO проявляется в активной сорбции паров воды, которая располагается упорядоченно по структурным пустотам пленки. Временная стабилизация строения пленок а-\УОз связывается с аксиальной деформацией основных структурных элементов (\Об -октаэдров) и образованием из них двумерной сетки, что затрудняет их взаимные развороты и снижает способность пленок к обратимому окрашиванию. Термохромный процесс носит черты одновременно происходящих "старения" и окрашивания, поэтому ФРРА такой пленки имеет более сложный вид. В этом случае искажение октаэдров, затрудняющее изменение их взаимной ориентации, способствует более высокой стабильности окраски. Именно такие стабилизированные пленки и использовались при исследовании сенсорных свойств триоксида вольфрама. Установленные закономерности в строении прозрачной и окрашенной вакуумно-конденсированных пленок подтверждаются исследованиями локального порядка в пленках a-WO , полученных методом гидролитического разложения алкоголятов вольфрама. Анализ ФРРА обнаруживает помимо естественных различий и общие тенденции в строении пленок и перестройках при окрашивании [60]. Таким образом, с центром окраски ассоциируется конфигурация из четырех \Об - октаэдров, центры которых лежат в одной плоскости. Протон или другой катион локализован в пространстве между октаэдрами. В этой позиции он расположен в непосредственной близости к ионам кислорода, а электрон, захваченный любым ионом вольфрама из этой группы октаэдров, приводит к ослаблению связи соседних октаэдров.
Происходящая при этом окислительно-восстановительная реакция, приводящая к образованию водородно-вольфрамовой бронзы нестехиометрической фазы внедрения с широкой областью гомогенности, обычно представляется как где 0 х 0,5. Поглощение кванта света индуцирует интервалентный переход электрона между соседними ионами вольфрама разной степени окисления. Этот переход электрона в структурном плане можно интерпретировать как переключение ослабленной связи W - О, которая, таким образом, будет делокализована в структурной группе из четырех октаэдров. Отмеченные изменения в атомном строении пленок а-\Оз при окрашивании приводят к перестройке энергетического спектра электронов, для исследования которого привлекались методы рентгеновской и фотоэлектронной спектроскопии и вольт-фарадных характеристик.
Влияние адсорбции паров воды на электрофизические характеристики МОП структур с пленками a-WO?,
Оксиды переходных металлов обладают высокими адсорбционными и каталитическими свойствами. Аморфные пленки триоксида вольфрама (а-\\Юз) имеют пористую структуру с большой удельной поверхностью [41], что делает этот материал активным адсорбентом. Снижение избытка свободной энергии вакуумно-конденсированных пленок д-\УОз может происходить путем структурной реконструкции или за счет сорбции, например, паров воды [59]. Если созданы условия для доминирования второго процесса, то абсорбция паров воды приводит, фактически, к образованию гидратов а-\Оз 1,5 Н20. Если первоначально происходит структурная релаксация, то последующее взаимодействие с парами воды имеет характер физической адсорбции и является обратимым безактивационным процессом. Для таких пленок возможно исследование влияния адсорбции паров воды на их электрофизические характеристики с функциональными приложениями в области сенсоров влажности. Исследователи отмечают двойственную роль воды в функциональных свойствах аморфных пленок триоксида вольфрама [42]. Известны исследования емкостных сенсоров влажности со слоями пористого кремния [71] и полиамида [72] в качестве адсорбентов, для которых диэлектрическая проницаемость є существенно меньше диэлектрической проницаемости воды (є = 81). В случае с пленками a-WCb, є которых составляет 50+100 [63], ситуация принципиально отлична и представляет самостоятельный интерес как в фундаментальном, так и прикладном аспектах. Аморфные пленки триоксида вольфрама получены термическим испарением в соответствии с работой [57].
Толщина пленок составляла 1,5 мкм. В качестве подложки использовали монокристаллический кремний марки КЭФ-4,5. Металлические электроды (А1) имели площадь 2 мм . Сорбционные свойства изучали для пленок, прошедших естественное старение в течение года при нормальных условиях. В соответствии с предыдущими исследованиями [59], такие пленки я-\\Юз построены из аксиально-деформированных вольфрам-кислородных октаэдров, соединенных вершинами и образующими планарную сетку. Для таких пленок изменение относительной влажности окружающего воздуха (p/ps) сопровождается сорбционно-десорбционными процессами, имеющими, в основном, физический механизм. Физическая адсорбция паров воды в а-\\Юз приводит к изменению электрофизических свойств пленок оксида, в частности, эффективной диэлектрической проницаемости, которая оценивалась по результатам измерений электрической емкости структуры Al/a-WCb/Si. Частотную зависимость емкости изучали с помощью LCR-метра Goodwill, модель 819 в диапазоне частот от 12 Гц до 100 кГц. Высокочастотные вольт-фарадные характеристики (ВЧ ВФХ) измеряли на частоте 1 МГц в соответствии с работами [63, 64]. Различные значения относительной влажности воздуха задавали с помощью насыщенных растворов солей. Все измерения проведены при температуре 295 К. Зависимость электрической емкости структуры Al/tf-WCVSi от частоты измерительного сигнала при относительной влажности 0 % и 100 % приведена на рис. 27. ВЧ ВФХ структуры при этих и промежуточных значениях относительной влажности показаны на рис. 28. Рис. 29 представляет зависимость емкости в области обогащения (при напряжении +2 В) от относительной влажности воздуха. Этот график является градуировочнои кривой для сенсора влажности емкостного типа. Кинетика сорбции-десорбции паров воды для сенсора при нулевом напряжении смещения отражена на рис. 30. Одновременно с измерением вольт-фарадных фиксировались и вольт-сименсные характеристики, то есть зависимость проводимости структуры от постоянного напряжения смещения.
В исследованном диапазоне зависимость емкости структуры и, следовательно, диэлектрической проницаемости а-\УОз от частоты переменного сигнала является монотонной и бесструктурной, хотя и более слабой, чем в работе [41]. Изменение p/ps от 0 % до 100 % приводит к росту диэлектрической проницаемости а-\УОз в среднем в четыре раза. Рост эффективной диэлектрической проницаемости связан с внедрением в пленку воды с є 81, которая, по-видимому, располагается в виде микрофазных включений в порах пленки я-\УОз, а также обусловлен вкладом структурной природы, связанным с появлением дополнительных межфазных границ и их перезарядкой в переменном поле [72]. Для минимизации вклада структурной природы в определяемую емкость была выбрана высокая частота переменного сигнала 1 МГц. На таких
Фазо- и дефектообразование в процессе оксидирования тонких пленок вольфрама на кремнии
В микроэлектронной технологии тонкие пленки металлов на кремнии помимо непосредственного применения используются для формирования силицидных или оксидных слоев различного функционального назначения [75]. Исследование процессов образования соответствующих фаз и характеристик межфазных границ является актуальной научной и практической задачей. Интерес к металлоксидным пленкам и структурам Si/MeOx связан в значительной степени с развитием полупроводниковой сенсорики [2]. В зависимости от метода получения металлоксидной пленки и последующих воздействий и обработок возможно формирование различных полиморфных модификаций оксидов, а также управление концентрацией и преобладающим типом дефектов в них. Наряду с разнообразными вакуумными и невакуумными методами получения оксидных слоев значительный интерес представляет отжиг в кислородсодержащей атмосфере конденсированных металлических пленок, который отличается простотой и большой технологической гибкостью, а также предоставляет широкие возможности для исследования процессов взаимодействия металл-кислород в тонкопленочных наноструктурах. Задача исследования фазо- и дефектообразования в металлоксидных пленках на кремнии имеет фундаментальный и прикладной аспекты. Первый заключается в получении информации о механизме и электронных процессах, сопровождающих окисление тонких пленок металлов. Второй состоит в возможности управления составом и микроструктурой пленки на стадии формирования вариацией температурных режимов оксидирования металла и сорбционно-десорбционным воздействием.
Последний метод в решении задач современного материаловедения может стать одним из эффективных инструментов технологии. Прямые методы изучения структурно-фазовых характеристик металлоксидных пленок, к которым относится прежде всего дифракция рентгеновских лучей, могут быть дополнены измерением вольт-фарадных характеристик гетероструктуры Si/MeOx. По отношению к кремнию широкозонные ( 3 eV ) металлоксидные полупроводники, толщина которых, как правило, не превышает дебаевской длины экранирования, проявляют себя как диэлектрики, и высокочастотные вольт-фарадные характеристики (ВЧ ВФХ) имеют типичный для структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) вид [76]. Метод ВЧ ВФХ, в отличие от рентгеноструктурных исследований, может быть применен для изучения параметров оксидов в аморфном состоянии, обладает большей локальностью анализа, дает наглядную информацию об электронных состояниях на межфазной границе кремний/оксид. В работах [63-65] представлены результаты исследования ВЧ ВФХ структур Si/a-WCb со стехиометрическими и кислород-дефицитными аморфными пленками триоксида вольфрама, сформированными вакуумной конденсацией. В последних было обнаружено проявление моноэнергетического уровня быстрых поверхностных состояний на гетерогранице кремний-оксид и показана их различная роль в фото- и электрохромном процессах. Далее приведены результаты исследования ВЧ ВФХ структур металл-оксид-полупроводник (МОП), полученных окислением тонких пленок вольфрама на кремнии.
Пленки металла наносили на подложки магнетронным распылением металлической мишени на постоянном токе в плазме аргона. В отличие от вакуумной конденсации аморфного триоксида вольфрама, формирование \\Юз-х оксидированием пленки металла на кремнии приводит к образованию многофазных слоев поликристаллических оксидов с широким диапазоном локальной нестехиометрии. Тем не менее, ВЧ ВФХ структур Ni/W03-X/Si (рис.31) имеют большое сходство с ранее изученными (см. рис. 21 б), включая особенности в спектре плотности поверхностных состояний. Отметим тот факт, что для разных методов формирования оксидных слоев МОП структуры имеют близкие зарядовые характеристики границы раздела, что подтверждает наши выводы об определяющей роли начальной стадии образования интерфейса и естественного подслоя оксида кремния. Обсудим общие закономерности ВФХ МОП структур с пленками смешанного фазового состава (нестехиометрическими). Как отмечалось в работе [76], естественный туннельно-прозрачный оксидный слой на кремнии стабилизирует параметры гетерограницы полупроводник
