Введение к работе
Актуальность темы. Управляемые внешним электрическим полем ге-тероструктуры типа МДП (металл - диэлектрик - полупроводник) и МЕГІ (металл - полупроводник) являются основной технологической композицией для элементной базы, интегральных схем н дискретных униполярных и биполярных приборов. В современной полупроводниковой электронике широко применяются гетероструктуры на основе кремния и арсеннда галлия. Это связано прежде с технологичностью планарпых структур S1O2-S1 и высокой подвижностью электронов в арсениде галлия, что позволяет достигать высокой степени интеграции элементов и создавать приборы СВЧ-диапазона. Другим достоинством этих материалов является значительная ширина запрещенной зоны, что необходимо для работоспособности структур при повышенных температурах или в условиях низкоэнергетнческих облучений.
Устойчивая работа структур МДП на кремнии во многом ограничена поляризационными явлениями в изолирующем слое, основным из которых является миграционная поляризация. Несмотря на большое число публикаций по этому «опросу, известные экспериментальные данные о параметрах миграции ионов металлов в ЗЮгСпа момент постановки задач исследования) в ряде случаев противоречивы. Например, не ясна причина изменения энергии активации процесса миграции в зависимости от количества подвижных зарядов (ПЗ) в диэлектрике или от температурного интервала измерений. Не выработаны экспериментальные признаки, позволяющие различать лимитирующие процессы миграционного переноса зарядов. Эти вопросы, начиная с 60-х годов, до сих пор, дискутируются на конференциях международного уровня. Поляризация диэлектрика ведет к флуктуацноиным изменениям потенциального рельефа поверхности и, соответственно, изменениям поверхностного рассеяния н поверхностной подвижности носителей заряда в канале проводимости, что ограничивает быстродействие приборов и схем. Миграция зарядов по поверхности изолятора приводит к планарнои неоднородности электрических свойств элементов отдельного прибора или схемы,
Практическая реализация преимуществ арсенида галлия в микроэлектронике осложнена его химической активностью. Даже слабые термические, химические и другие воздействия приводят к нарушениям стехиометрии и
состава приповерхностных слоев. К тому же, арсенид галлия не имеет стабильного естественного окисла, что сдерживает реализацию пленарной технологии. Самые разнообразные методы формирования изолирующих покрытий на GaAs приводили к неудовлетворительным результатам по критерию плотности поверхностных локализованных состояний, ограничивающих поверхностную подвижность носителей заряда за счет кулоновского рассеяния. Наилучшие результаты по быстродействию полевых транзисторов были достигнуты на селективно легированных гетероструктурах GaAlAs - GaAs с квазидвумерным электронным газом на инвертированной поверхности раздела.
Однако, даже при низких температурах (~77 К), наблюдаются высокие токи утечки затвора и пороговые напряжения, что связано с необходимостью легирования GaAlAs для формирования потенциального профиля гетерост-руктуры и сопутствующими электронными ловушками в донорном слое.
Как для кремниевых, так и для арсенид-галлиевых полевых транзисторов с изолированным затвором и поверхностным переносом заряда принципиальным является формирование управляемого поверхностного канала проводимости, отделенного от квазинейтрального объема подложки слоем обеднения. При этом возникает анизотропия проводимости (вдоль поверхности и нормально к ней), позволяющая обеспечить или гальваническую связь между истоком и стоком полевого транзистора (ПТ) или емкостную межэлектродную связь в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Обмен носителями заряда между поверхностным каналом проводимости и нейтральным объемом подложки ограничен слоем обеднения.
После квазиклассического описания состояний областей пространственного заряда в работах традиционно считают, что в однородно легированном полупроводнике такая ситуация реализуется только на инвертированной поперечным электрическим полем поверхности. Поэтому практически все публикации о ПТ с изолированным затвором или ПЗС с поверхностным переносом заряда содержат описание движения носителей тока по инверсионным слоям. Даже в статье В. Долгополова с соавторами, где приведены экспериментальные далные, свидетельствующие о зарядовой связи по обогащенному слою в структурах Me-Si02-Si с распределенными параметрами анализируется только часть эксперимента по поверхностной проводимости
инверсионного слоя. В тоже время известно теоретическое описание состояния МДП структуры с однородно легированным полупроводником и обогащенным слоем в условиях сильного размерного киантования, при котором обогащенный основными носителями заряда слой отделен от нейтрального объема слоем обеднения и потенциальным барьером с немонотонным потенциалов. D этом случае обогащенная поверхность полупроводника, как и инвертпросапная, пригодна для реализации пришита межэлектродной' зарядовой связи, и может обладать некоторыми преимуществами. Так, например, время формирования инверсионного слоя определяется темпом накопления неосновных носителей заряда у поверхности за счет термической генерации или дрейфа из нейтрального объема. Время формирования обогащенного слоя значительно меньше. Соответственно, меньше и время переключения поверхностного слоя п проводящее состояние канала, работающего на основных носителях заряда.
Из качественных соображений понятно, что при фиксированной напряженности управляющего электрического поля поверхностный заряд и обогащенном канале проводимости будет больше, чем в инверсионном. Это сужает динамический диапазон управляющих внешних напряжений. D обедненных слоях, отделяющих поверхностные каналы от нейтрального объема подложки, заряд при обогащенной поверхности меньше, чем при инвертированной. Поэтому парциальный вклад кулоновского рассеяния на ионизированных примесях меньше в первом случае, а поверхностная подвижность больше. Тем не менее, в изпестной нам литературе нет сведении о начальных стадиях формирования немонотонного потенциального профиля области пространственного заряда (ОПЗ) обогащенной поверхности полупроводника при переходе от состояния с предельно слабым размерным квантованием к пределу сильного размерного квантования. Явно недостаточно, на наш взгляд, описаны и эксперименты по поверхностному переносу зарядов и обогащенных слоях МДП структур.
Расширение функциональных возможностей полевых гетероструетур на базе основных материалов полупроводниковой электроншен-кремнин и арсениде галлия предстапляет научный и практический интерес для физики твердого тела, полупроводниковой электроники и смежных областей науки и техники.
Сказанного представляется достаточным, чтобы тему работы считать актуальной.
Целью данной работы является определение физических условий наличия зарядовой связи по обогащенному поверхностному слою в полевых гетероструктурах на основе кремния и арсенида галлия.
Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы:
« Исследование поляризационных эффектов в изолирующих слоях г, на границах раздела полевых гетероструктур на кремнии и арсениде галлия.
* Разработка принципов подавления механизмов, лимитирующих эффективность поверхностного переноса зарядов.
» Исследование поверхностного переноса зарядов в гетероструктурах на кремнии и арсениде галлия, модулируемого внешним электрическим полем.
. в Исследование особенностей зарядовой связи по поверхностным обогащенным каналам проводимости в гетероструктурах с распределенными параметрами.
Выбор объектов и методов исследований.
Исследовались гетероструктуры Me-Si02-Si, сформированные на мо-нокрнсталлических кремниевых пластинах различных ориентации, типов проводимостей и уровней легирования. Наращивание окисла кремния производилось стандартными для производства полупроводниковых приборов методами: термического окисления, пнролитического осаждения (разложением тетраэтоксиенлана) с последующими технологическими обработками - легированием щелочными металлами, и другими элементами, модифицирующими структуру и электрические свойства диэлектрика. Для формирования полевых гетероструктур на арсениде галлия использовались монокристаллический арсенид галлия, выращенный методом Чохральского и (или) слои полученные жидкофазной эшпаксией. В качестве изолирующих слоен применялись пленки селенида галлия (Ga2So3). Обоснование их использования изложено ниже в дайной работе и работах других авторов. Слон Ga2Se3 формировались термическим испарением предварительно синтезированного соединения или гетеровалентаым замещением мышьяка селеном при термической обработке подложек арсенида галлия в парах селена или селеносо-
с держащих соединений. Для идентификации структуры, состава, толщин и
оптических констант применялись методы электронографии, Оже-спектроскопии, инфракрасной спектрометрии, интерференционной спектро-фотометрии, фотолюминесценции и фотоотражения.
Электрические свойства указанных гетероструктур исследовались методами вольт-фарадных, вольт-амперных характеристик (стационарных и динамических), термостимулированггой поляризации (деполяризации), изотермической сканирующей спектроскопии глубоких уровней и специально разработанными методами измерений параметроп релаксации и поверхностного переноса зарядов.
Научная новизна работы.
а Впервые предложена модель миграционной поляризации пленок двуокиси кремния, ограниченной скоростью переноса зарядов через диэлектрик. В отличие от ранее описанных моделей, учтено влияние встроенных полей на кинетику поляризации и величину подвижного заряда (на энергетическом уровне подвижности).
а Получены новые экспериментальные данные о подвижности н глубинах залегания ловушек для ионов щелочных металлов п протонов в термически выращенных пленках двуокиси кремния.
* Предложен способ и описан механизм подавления миграции ионов
щелочных металлов при термодиффузионном легировании окисла кремния
цинком и фосфором.
« Впервые получены полевые полупроводниковые гетероструктуры Me-Ga2Se3-GaAs (n-тип) с обогащенными поверхностными каналами проводимости. Построена зонная диаграмма указанных структур.
в Разработана новая методика измерений поверхностной дрейфовой подвижности в структурах с распределенными параметрами и поверхностной зарядовой связью, исключающая погрешности, связанные с краевыми эффектами на границах электродов.
* Впервые получены экспериментальные данные о дрейфовой по
верхностной подвижности дырок в обогащенных слоях на кремнии р-тнпа н
арсеннде галлия п-тнпа.
в Впервые показано, что как дырочный обогащенный канал на кремнии так и электронный на арсениде галлия могут быть отделены от ней-
трального объема подложек слоем обеднения. При этом обеспечиваются условия для формирования каналов поверхностной зарядовой связи.
в Предложен механизм, объясняющий пространственное разделение обогащенного и нейтрального слоя слоем обеднения за счет квазиклассического кулоновского корреляционного взаимодействия и нелокального отклика плотности электронного газа на возмущение потенциала при слабом размерном квантовании.
Практическая значимость работы.
» Полученные экспериментальные результаты позволяют расширить функциональные возможности полевых полупроводниковых структур созданием приборов с зарядовой связью по обогащенным каналам проводимости.
в Как на кремнии, так и на арсениде галлия получены полевые гете-роструктуры с поверхностной подвижностью по обогащенному слою, ограниченной лишь фононным рассеянием в диапазоне температур (200-г300)К.
Разработанный метод формирования полевых гетероструктур с распределенными параметрами и поверхностной зарядовой связью имеет общий характер и может применяться для широкого круга твердотельных гетероструктур.
Научные положения, выносимые на защиту. 1. Сильная зарядовая связь по обогащенным каналам в полевых полупроводниковых гетероструктурах обусловлена пространственным разделением обогащенного слоя и нейтрального объема подложки слоем обеднения. Этот эффект в однородном полупроводнике является следствием кулоновского корреляционного взаимодействия носителей заряда со своими изображениями в металлическом электроде и области пространственного заряда. Эффект усиливается нелокальным откликом электронной плотности на возмущение потенциала даже в случае слабого размерного квантования.
2. В исследованных резистивно-емкостных структурах Me-SiOj-Si, Me-Ga2Se3-GaAs с обогащенными поверхностными слоями (р-слой на кремнии, n-слой на арсениде галлия) дрейфовая подвижность в диапазоне температур (2ОО-к30О)К ограничена фононным рассеянием. Резистнвный слой на поверхности изолирующего сглаживает электрическую неоднородность поверхности раздела за счет экранирования свободными носителями заряда.
-
Подавление кулоновского рассеяния в поверхностных каналах проводимости в структурах Me-SiCVSi достигается за счет, геттерирования ионов щелочных металлов и протонов на внешнюю поверхность окисла кремния при поверхностной легировании цинком и фосфором. Обратная ми-фация положительных подвижных зарядов к границе раздела SiO-Si ограничена связыванием их на немостиковых атомах кислорода фосфорно-кислородных тетраэдров и микро- и макроскопическим электрическим полем, сформированным отрицательно заряженными комплексами [Zn04]2'.
-
В полевых гетероструктурах Me-Ga2Se3-GaAs геттерирование электрически активных примесей из приповерхностных областей обеспечивается наличием стехиометрических пустот в катионной подрешетке селе-нида галлия. Выращивание слоя Ga2Se3 путем гетеровалентного замещения мышьяка селеном смещает границу раздела внутрь монокристалла подложки с меньшим количеством дефектов. Совместное действие этих факторов позволяет получить электрически совершенную границу раздела.
Личный вклад автора в диссертационную работу.
Автором были поставлены задачи, решение которых позволило обосновать положения вынесенные на защиту. Методы аналитических и численных расчетов, оригинальные методики измерений предложены автором. Во всех экспериментах автор принимал непосредственное участие.
Первоначальные исследования проводились совместно с профессором В.Ф.Сьшоровым и научным консультантом Б.И.Сысоевым. Технологические эксперименты выполнены совместно с Асессоровым В.В., Анохиным В.З., Сгрыгиным В.Д.. В решении теоретических задач участие принимали Руднев Е.В., Власов Д.А.. В списке литературы отражено так же участие других сотрудников научных коллективов организаций где выполнялась работа.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы ее развития" (г. Ленинград, 1973 г.); международных коллоквиумах (г. Ильменау, Германия 1975 г.); VI Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках (г.Киев, 1977 г.); III Респ. конф. молодых ученых и специалистов "Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов" (г.Тбилиси, 1977г.); VII Всесоюзном симпозиуме по электронным
процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводник диэлектрик (г.Новосибирск, 1980); III Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Одесса, 1982г.); Первой Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (г.Кишиш;в, 1987 г.); Всесоюзном совещании - семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем" (г.Гурзуф, 1983 г.); VI Всесоюзной конференции по росту кристаллов (г.Ереван, 1985 г.); X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Минск, 1985 г.); Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектроииой техники" (г.Минск, 1985); II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках (г.Воронеж, 1987г.); VII Всесоюзном координационном совещании "Материаловедение полупроводниковых соединений группы A"'BV (г.Воронеж, 1987г.); I Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г.Калуга, 1990 г.); Всероссийской конференции "Электроника и информатика" (г.Москва, 1997 г.); Координационных совещаниях секции РАН "Полупроводниковые гетерострук-туры" (г.Воронеж, 1988 г., г.Калуга 1990 г.); Ежегодных отчетных конференциях ВГТА.
Публикации. Материалы опубликованы в 57 работах, цитируемых по ходу изложения текста диссертации.
Объем и структура диссертации.
