Формирование и исследование зарядовых свойств МДП структур на основе оксида алюминия Никифорова, Ирина Олеговна

Введение к работе

Актуальность темы. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) являются основой элементной базы современной микроэлектроники. Возможность направленного формирования зарядовых характеристик диэлектрика, таких как, величина, знак, пространственное распределение встроенного и захваченного зарядов, кинетика накопления заряда в МДП структуре позволяет управлять пороговым напряжением, частотными характеристиками, крутизной и стабильностью параметров полевого транзистора. Совершенная с точки зрения структуры и электрофизических свойств пара кремний-диоксид кремния в значительной степени определяет успехи кремниевой микроэлектроники. Однако жесткие требования, предъявляемые к характеристикам диэлектрических пленок (постоянный состав, аморфная структура, отсутствие пор, хорошая адгезия к подложке, однородность по толщине, высокие диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, удельное сопротивление, радиационная стойкость и др.) привели к росту интереса к тонким пленкам оксида алюминия, которые по сравнению с пленками диоксида кремния обладают более высокими значениями диэлектрической проницаемости, радиационной стойкостью и лучшими маскирующими свойствами. Накопленный обширный экспериментальный и теоретический материал по изучению диэлектрических пленок свидетельствует о том, что их физико-химические свойства зависят во многом от применяемого метода получения и параметров этого процесса. Направленное создание тонких пленок с прогнозируемыми свойствами возможно при условии понимания происходящих в них физико-химических процессов при их формировании, которые обусловливают, в конечном счете, комплекс их электрофизических свойств. Интерес к структурам МДП со сложным диэлектриком, состоящим из двух или более слоев различного химического состава, связан с возможностью направленного конструирования его электрофизических свойств и изучения электронных процессов в слоистых структурах и в областях межфазовых границ. Получение слоистых диэлектриков на основе оксидов открывает возможность плавного управления их свойствами в широком диапазоне. Важным, если не ключевым, вопросом является поиск методов технологической реализации прецизионного синтеза слоев различного химического состава в едином цикле с предельной точностью регулирования толщины вплоть до одного моноатомного слоя, что представляет несомненный фундаментальный интерес для изучения свойств низкоразмерных систем в их предельном

состоянии.

Разработанный в ленинградской научной школе метод молекулярного наслаивания (МН) открывает возможность низкотемпературного послойного ступенчатого синтеза диэлектрических пленок с дискретностью толщины в один монослой. Образование в процессе роста двумерных слоев, минуя стадию зародышеобразования, улучшает однородность электрофизических свойств диэлектрических тонких пленок. Одним из важных достоинств данного метода является возможность формирования слоистых систем по заданной программе при низких температурах (до 300 С). В настоящее время надежно установлено для большинства методов синтеза, что понижение температуры осаждения обычно приводит к ухудшению качества получаемых пленок, они имеют развитую пористую структуру, причем объем пор, например, у низкотемпературных слоев диоксида кремния может достигать 15-18 % от объема пленки. В связи с этим особенно остро стоит проблема разработки метода получения высококачественных диэлектрических слоев при низких температурах.

Целью настоящей работы является формирование структур полупроводник-диэлектрик (кремний-оксид алюминия) и выявление возможностей направленного изменения их зарядовых свойств как в процессе синтеза слоев АЬОз, так и путем создания слоистых диэлектриков -гетерооксидов* на базе матрицы АЬОз методом МН.

Для реализации данной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Разработать низкотемпературный процесс синтеза пленок оксида
алюминия на полупроводниковых подложках методом МН.

2. Исследовать основные физико-химические свойства слоев АЬОз,
созданных методом МН.

3. Изучить электрофизические характеристики полученных структур Si-АЬОз
и возможность управления их зарядовыми свойствами в процессе синтеза
оксида алюминия.

*Под гетерооксидами мы понимаем полученные в данной работе искусственные структуры диэлектриков, представляющие собой сверхтонкие прослойки узкозонных оксидов, встроенных в широкозонную матрицу АЬОз.

4. Исследовать возможность направленного регулирования зарядовых характеристик МДП структур на кремнии путем создания многослойных гетерооксидов на основе матрицы АЬОз методом МН.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые получены пленки оксида алюминия на поверхности
полупроводниковых подложек методом МН при низких температурах (до
310" С) с применением в качестве реагента металлорганического соединения-
триметилалюминия (ТМА), электрофизические характеристики которых
сравнимы с используемыми в микроэлектронике пленками S1O2 и Si^M,.

2. Показана возможность управления зарядовыми характеристиками МДП
структур с диэлектрической пленкой АІ^Оз путем регулирования температуры
синтеза, соотношения парциальных давлений реагентов и последующей
температурной обработке пленок в атмосфере кислорода.

1. Впервые получены методом МН гетерооксиды, путем введения в процессе синтеза в объем матрицы А^Оз четырех монослоев ТіСЬ и СтОг на заданном расстоянии от- подложки, которые являются локальными высокоэффективными центрами захвата носителей заряда.

2. Выявлена возможность управления величиной и скоростью накопления заряда в структурах кремний-гетерооксид как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота, заданием в процессе синтеза пространственного положения локальных высокоэффективных центров захвата носителей заряда в матрице АЬОз.

Практическая ценность работы заключается в следующем: Разработан низкотемпературный процесс получения слоев оксида алюминия на полупроводниковых подложках диаметром до 100 мм, обладающих высокой равномерностью, электрической прочностью, удовлетворительной границей раздела с полупроводником ( N_ss = ( 1,2 -1,9)10¹¹ см ) и управляемыми зарядовыми характеристиками как путем регулирования параметров процесса синтеза, так и введением в процессе синтеза локальных высокоэффективных центров захвата для носителей заряда. Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании стабилизирующих, защитных диэлектрических слоев и конструировании диэлектриков в МДП структурах с управляемыми электрофизическими параметрами. Показана возможность использования синтезированных структур для записи и хранения зарядовой информации.

На защиту выносятся:

1. Методика синтеза слоев оксида алюминия и гетерооксидов на его основе и оригинальная установка для ее реализации.

2. Физико-химические параметры слоев АЬОз, синтезированных методом МН по разработанной технологии на кремниевых подложках.

3. Закономерности управления зарядовыми характеристиками структур Si-АІ^Оз в процессе их получения методом МН.

4. Закономерности в формировании зарядовых характеристик МДП структур на кремнии при использовании в качестве диэлектрика гетерооксидов, полученных методом МН.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Отраслевой научно-технической конференции "Проблемы развития полупроводниковых ИС на основе GaAs" (Москва, 1988), на 11 Респуликанской конференции по физике твердого тела (Ош, 1989), на 35. Internationales wissenschaftliches koloqvium (DDR, 1990), на Международной конференции MRS-92 (USA, 1992), на Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием "Диэлектрики-93" (Санкт-Петербург, 1993), на Международной научно-технической конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах" (Санкт-Петербург, 1994), на International Symposium on Atomic Layer Epitaxy (ALE-3, ALE-4) (Japan, 1994, Austria, 1996), на The Third International Symposium on Atomically Controlled Surfaces and Interfaces (ACSI-3) (USA, 1995), на International School of Physics condensed matter and materials physics (Санкт-Петербург, 1996), на научных семинарах кафедр ХТТ и ЭТТ СПбГУ (Санкт-Петербург, 1997), на Международной научно-технической конференции "Диэлектрики-97" (Санкт-Петербург, 1997), на The fourth Baltic Symposium on ALE (Estonia, 1997).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 125 страниц текста, 47 рисунков и список цитируемой литературы из 133 наименований.