Содержание к диссертации
Введение
1 Кремниевые туннельные МОП структуры: понятие, общие сведения, история изучения 13
1.1 Об определении и свойствах туннельных МОП структур 14
1.2 Краткий исторический обзор 19
1.3 Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике 25
Выводы к Главе 1 30
2 Электрические характеристики приборов на основе туннельной МОП структуры 31
2.1 Сведения о технологии изготовления образцов 32
2.2 Некоторые технические детали измерений 33
2.3 Туннельные МОП диоды 34
2.3.1 Случай умеренного легирования подложки 35
2.3.2 Случай сильного легирования 40
2.4 Транзисторы с туннельным МОП эмиттером 44
2.4.1 Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора . 45
2.4.2 Утечки, неодномерные эффекты, воспроизводимость 50
2.4.3 Замечание о дуальности полевого и биполярного МОП транзисторов 53
2.5 Тиристоры 54
2.6 Сравнение с данными других авторов 56
2.7 Структуры с МДП эмиттерами, отличными от системы Al/Si02/Si . 58
Выводы к Главе 2 62
3 Моделирование электрических характеристик туннельных МОП структур в одномерном приближении 63
3.1 Основные физические вопросы 64
3.1.1 Туннелирование через слой диэлектрика 67
3.1.2 Туннелирование в полупроводнике 72
3.1.3 Эффект квантования в обогащенном слое 75
3.1.4 Эффект квантования в инверсионном слое 80
3.1.5 Энергетическая релаксация инжектируемых электронов 84
3.1.6 Баланс неосновных носителей при обратном смещении 89
3.2 Выбор параметров 91
3.3 Вольтамперные характеристики туннельных МОП диодов 94
3.4 Характеристики некоторых трехэлектродных МОП структур 97
3.4.1 Транзистор с туннельным эмиттером Al/Si02/nSi 97
3.4.2 Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия 100
3.5 Эффекты, связанные с туннелированием в полупроводнике 102
3.5.1 Двойное (тройное) туннелирование в МОП структуре 102
3.5.2 Туннелирование зона-зона в кремнии 105
3.5.3 Резонансный транспорт 108
Выводы к Главе 3 112
Электролюминесценция кремниевых туннельных МОП структур 113
4.1 Общее описание эффекта люминесценции 115
4.2 Техника записи спектров электролюминесценции 125
4.2.1 Экспериментальная установка 125
4.2.2 Математическая обработка результатов измерений 127
4.3 Экспериментальные спектры электролюминесценции 131
4.3.1 Структуры Al/Si02/pSi, Al/Si02/nSi/p+Si, Al/Si02/pSi/ p+Si... 131
4.3.2 Структуры Al/Si02/nSi 134
4.3.3 Наблюдение прямых излучательных переходов 136
АЛ Данные измерений интенсивности на фиксированной длине волны 138
4.5 Моделирование спектров люминесценции методом Монте Карло 143
Выводы к Главе 4 145
Деградация и пробой диэлектрика в туннельной МОП структуре 146
5.1 Стойкость окисла к туннельному переносу заряда 147
5.2 Наблюдение деградации электрических характеристик приборов 150
5.3 Снижение инжекционной способности МОП эмиттера 154
5.4 Влияние деградации на оптические характеристики 156
5.4.1 Изменение интенсивности свечения 156
5.4.2 Изменения формы спектров люминесце.нции 159
5.5 Поведение туннельной МОП структуры после мягкого пробоя 162
5.5.1 Эффективное сопротивление и локализация пробитой области . 163
5.5.2 Усиление и бистабильность МОП структуры после пробоя 168
5.5.3 Искажение характеристик люминесценции 170
Выводы к Главе 5 173
Транзистор с туннельным МОП эмиттером как исследовательский инструмент 174
6.1 Уточнение параметров туннелирования через Si02 175
6.1.1 Толщина туннельного барьера 175
6.1.2 Эффективная масса дырки в тонком слое Si02 178
6.2 Измерение параметров релаксации горячих электронов в Si 185
6.2.1 Квантовый выход оже-ионизации в кремнии 186
6.2.2 Темпы генерации фотонов в кремнии 192
6.3 Исследования ресурса туннельно-тонких пленок окисла 195
Выводы к Главе 6 196
Заключение 198
Список работ, включенных в диссертацию 201
Библиография 210
- Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике
- Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора
- Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия
- Наблюдение деградации электрических характеристик приборов
Введение к работе
Под туннельной МОП структурой (англ.: MOS tunnel structure) понимается структура Металл-Окисел-Полупроводник, перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомехани-ческого туннелирования. Толщина диэлектрика (БіОг) в таких структурах составляет менее 4 нм. Слово "полупроводник" в данном контексте почти всегда означает "кремний", в качестве "металла" обычно выступают А1, Аи или сильнолегированнный поликремний (polySi).
Туннельные МОП структуры представляют собой весьма интересные для изучения физические объекты, имеющие реальные перспективы приборных применений. Их поведение, особенно в режиме инверсии/обеднения, значительно отличается от поведения толстых МОП структур, поскольку протекание тока оказывает существенное влияние на распределение прикладываемого смещения. Потенциалом инверсионного слоя и, следовательно, величиной сквозного тока можно управлять во многом независимо от напряжения на всей структуре. Ввиду асимметрии туннелирования электронов и дырок, туннельная МОП структура на подложке nSi способна усиливать созданный в ней или введенный в нее дырочный ток. На этих принципах работают биполярные (фото)транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Кроме того, как было недавно продемонстрировано, наличие туннелирования через окисел не является препятствием и на пути использования туннельной МОП структуры в качестве затворной секции полевого транзистора (с обычным управлением). Имеется также ряд других МОП приборов с туннельно-тонким диэлектриком: диоды, тиристоры, солнечные элементы.
Большое разнообразие весьма любопытных свойств туннельных МОП структур обусловлено инжекцией горячих носителей, которая имеет место практически всегда, так как напряжение на окисле реально составляет от долей до единиц Вольт. В процессе энергетической релаксации носителей в Si (чаще всего речь идет об электронах) происходят генерация новых электронно-дырочных пар, а также испускание световых квантов, то есть люминесценция. С помощью измерений на туннельных МОП структурах квантовый выход этих процессов может быть исследован количественно. Ток ударной генерации играет большую роль в
балансе токов в некоторых МОП приборах, а форма спектра излучения может служить своего рода индикатором состояния слоя SiCV
На определенном полуколичественном уровне некоторые из упомянутых деталей поведения туннельных МОП структур изучались ранее. Как представляется, на сегодняшний день необходимо пополнение и уточнение информации о влиянии различных параметров окисла и подложки на свойства приборов, в особенности при высоких плотностях тока. Важной задачей остается также усовершенствование моделей туннельной МОП структуры; они должны не только учесть туннелирование электронов через окисел, но и охватить ряд других эффектов (приповерхностное квантование, протекание тока из валентной зоны Si, туннелирование в кремнии, ионизационные процессы). Назрела необходимость достижения определенности в части параметризации туннелирования.
Настоящая работа посвящается комплексному исследованию электрических и оптических свойств туннельных МОП структур. Акцент делается на эффектах, обусловленных инжекцией горячих электронов из металла в кремний. Продольному (в плоскости структуры) переносу заряда, а также эффектам в обедненной области Si, напрямую не связанным с инжекцией, отводится менее важное место.
Актуальность научного направления и темы представляется неоспоримой. Основным аргументом в пользу актуальности является то, что в современных полевых транзисторах толщины реально применяемых подзатворных диэлектриков, неуклонно снижаясь в связи с общими тенденциями миниатюризации, приблизились к туннельному диапазону (1-3 нм). Поэтому круг затрагиваемых в данной работе вопросов представляет прямой интерес для физики и техники базового элемента всей полупроводниковой электроники - полевого транзистора.
Целью диссертационной работы являлось
проведение подробного экспериментального исследования электрических характеристик диодов, транзисторов и тиристоров на основе туннельной МОП структуры - с уделением особого внимания инжекции горячих носителей в Si и эффектам их энергетической релаксации;
разработка аналитической модели для расчета электрических характеристик туннельных МОП структур, пригодной для любых парамет-
ров (уровень легирования, толщина S1O2, материал верхнего электрода: металл/поликремний) и любых режимов смещения;
комплексное изучение электролюминесценции кремниевых туннельных МОП структур: измерение и анализ спектров в различных режимах, сопоставление с данными для других излучающих кремниевых приборов и определение интенсивности свечения в абсолютных единицах;
феноменологическое исследование следствий деградации и пробоя диэлектрика в приборах на основе туннельных МОП структур, а также выявление взаимосвязи между повреждением окисла и изменениями люминесцентных свойств образцов;
анализ возможностей использования транзистора с туннельным МОП эмиттером как инструмента для измерения параметров туннели-рования (эффективных масс в окисле) и параметров энергетической релаксации горячих электронов в кремнии.
Основные положения, выносимые на защиту, и их новизна
При положительном смещении на подложке туннельная МОП структура представляет собой инжектор квазимоноэнергетичных горячих электронов в кремний. Энергия инжекции Einj определяется разностью между уровнем Ферми металла и краем зоны проводимости Si за пределами инверсного или обогащенного слоя; она регулируется напряжениями на клеммах структуры и может на практике достигать нескольких эВ.
Электрические и оптические (люминесцентные) свойства приборов на основе туннельной МОП структуры: туннельных диодов, транзисторов и тиристоров с туннельным МОП эмиттером, - в значительной степени определяются свойствами инжектора и условиями энергетической релаксации горячих носителей в кремнии.
В обратносмещенной туннельной МОП структуре Al/Si02/nSi, благодаря совместному действию оже-ионизации атомов кремния инжектируемыми электронами и ударной ионизации, возникает положительная обратная связь по току, что приводит к бистабильности (а иногда и муль-тистабильности) структуры в некотором диапазоне напряжений.
Коэффициент инжекции системы Al/Si02/nSi снижается при уменьшении толщины БіОг и при снижении легирования Nj) (в сопоставимых режимах). Это сказывается на усилении транзистора с туннельным
МОП эмиттером и на величине напряжения его переключения Vsw. Рост Vsw с уменьшением Nf) связан также с ослаблением поля в области объемного заряда, снижающим эффективность ударной ионизации.
Туннелирование в подложке является важным механизмом переноса заряда в туннельной МОП структуре, в особенности при сильном легировании. Его модельный учет приводит к возрастанию предсказываемых сквозных токов. Туннелирование зона-зона в Si - при изгибе зон более Ед - способствует поддержанию инверсии. Еще одним эффектом туннелирования в полупроводнике является резонансный перенос электронов через дискретные квантовые уровни в области интерфейса Si/Si02-
Разработанная модель позволяет проводить расчеты электрических характеристик туннельных МОП структур в самых различных ситуациях: любой уровень легирования, прямое или обратное смещение, металлический или поликремниевый электрод, любые режимы управления потенциалом инверсного слоя в подложке, - с претензией на количественную точность. При этом должны использоваться следующие значения параметров туннелирования: высоты барьеров как в толстой МОП структуре, эффективные массы в окисле для электронов те = 0.42шо и дырок ть = О.ЗЗтпо-
Излучательные переходы в кремнии являются одним из важных каналов релаксации инжектируемых в МОП структуре электронов. Туннельные МОП структуры люминесцируют; форма соответствующего спектра зависит от Einj, а также (в случае инверсии) от величины электрического поля в обедненной области. Выделяются вклады разных механизмов люминесценции, в частности прямых внутризонных и рекомби-национных переходов, в полную интенсивность.
Так как люминесцентные характеристики весьма чувствительны к повреждению Si02, их можно использовать для мониторинга деградации и пробоя туннельно-тонкого окисла.
Стойкость туннельной МОП структуры к протеканию тока в режиме прямого туннелирования значительно выше, чем ее же стойкость (и чем стойкость структур с более толстым диэлектриком) в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма. Величина заряда Qsbd, перенос которого приводит к пробою Si02, для случая прямого туннелирования может достигать 107 Кл/см2, что достаточно для приборных применений.
10. Транзистор с туннельным МОП эмиттером может служить удобным метрологическим инструментом для исследования параметров тун-нелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. Определенное с его помощью значение эффективной массы дырок в тонком слое Si02 равно т^ — О.ЗЗто; величина квантового выхода P(Einj) оже-ионизации при E{nj ~ 1.5 эВ составляет единицы процентов.
Перечисленные положения сформулированы на основе новых результатов, полученных в диссертационной работе.
Научно-практическая значимость работы состоит в том, что в ней подробно теоретически и экспериментально исследован комплекс эффектов, связанных со сквозным переносом заряда в туннельной МОП структуре с толщиной пленки диоксида кремния 1-3 нм. Помимо традиционно рассматриваемого туннелирования электронов через Si02, проанализирован ряд дополнительных эффектов, таких как туннельный перенос заряда в кремнии, влияние дырочной компоненты туннельного тока, релаксация (в том числе через излучательные переходы) инжектируемых в Si горячих носителей. Кроме того, в работе было независимо определено несколько важных параметров Si и S1O2: эффективная масса дырок в тонком окисле, квантовый выход оже-ионизации в кремнии, темп испускания фотонов в кремнии. Проведенное исследование имеет значение для применений туннельной МОП структуры в качестве инжектора горячих носителей в Si, например в транзисторе с туннельным МОП эмиттером. Оно может также представить интерес для исследователей полевых транзисторов с подзатворным окислом нанометровой толщины.
Апробация работы - Результаты диссертационной работы докладывались на 1-й, 2-й и 3-й Российских Конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), на "Humboldt-Kolleg Conference" (St.-Petersburg, 2005), а также на международных конференциях: International Conferences on Solid State Devices and Materials [SSDM] (Makhuhari, 1993; Yokohama, 1994), Japan; International Conference on the low-dimensional systems, Chernogolovka, Russia (1993); European Material Research Society [E-MRS] Spring Meetings, Strasbourg, France (1996; 1999); International Semiconductor Conference
[CAS], Sinaia, Romania (1996); International Conference on Microelectronics [MIEL], Nis, Yugoslavia (1997); International Conference on Simulation of Semiconductor Processes And Devices [SISPAD], Leuven, Belgium (1998); Conferences on INsulating Films On Semiconductors [INFOS], (Kloster Banz, Germany, 1999; Udine, Italy, 2001; Barcelona, Spain, 2003); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000; 2002); Workshop on Dielectrics in Microelectronics [WoDiM], Munich, Germany (2000); European Workshop on ULtimate Integration of Silicon [ULIS], Munich, Germany (2002); European Solid-State Device Research Conference [ESSDERC], (Firenze, Italy, 2002; Estoril, Portugal, 2003).
С использованием материалов диссертации автором сделано три приглашенных доклада: в Mikroelektronik Centret, Lyngby, Denmark (1999), в Max-Planck-Institut fur ExtraterrestrischePhysik, Miinchen,Germany (2000) и в Technische Fakultat der Universitat Kiel, Germany (2003).
Кроме того, результаты работы обсуждались на семинарах отдела Сильноточной Электроники ФТИ РАН.
Публикации - По материалам диссертации опубликовано 73 научных работы, в том числе 50 статей в реферируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Solid-State Electronics, IEEE Transactions on Electron Devices, Microelectronics Engineering и других.
Личный вклад автора - Представленные.результаты получены либо лично автором диссертации, либо при его активном участии. В случаях, когда в диссертации приводятся данные, вошедшие в публикации автора, но полученные другими соавторами, это оговаривается.
Структура и объем диссертации - Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Ее полный объем составляет 230 страниц (печать через 1.5 интервала), количество рисунков 94, список литературы1 содержит 210 наименований.
1 Опубликованные работы самого автора в этот список не включены и перечислены - также в конце диссертации - отдельно. Ссылки на них, в отличие от ссылок на работы других авторов, в тексте сопровождаются звездочкой (например, [1*]).
Содержание работы
В настоящем введении в максимально сжатой форме описан предмет диссертационного исследования - туннельная МОП структура, очерчен круг затрагиваемых вопросов, объяснена их-актуальность, сформулированы цели работы, а также положения, выносимые на защиту. Кроме того, дана краткая общая характеристика диссертации и сообщены формальные сведения о ней (объем, число публикаций и т. п.).
Первая глава посвящена литературному обзору и истории исследования туннельных МОП структур. По ходу обзора приводится более подробное, чем во введении, описание свойств туннельной структуры, а также определяется ее роль в современной твердотельной электронике. Особое внимание уделяется публикациям, посвященным МОП структуре как инжектору и моделированию туннельных токов.
Во второй главе обсуждаются данные экспериментального исследования электрических характеристик приборов- на основе кремниевых туннельных МОП структур, изготовленных нами. Рассматриваются диоды, оже-транзисторы и тиристоры с туннельным МОП эмиттером. Отдельный параграф посвящен сильнолегированным структурам. Теоретические сведения в этой главе приведены лишь в минимальном объеме, необходимом для трактовки результатов измерений.
Третья, наибольшая по объему, глава содержит описание разработанных нами аналитических моделей и примеры результатов расчета электрических характеристик туннельных МОП структур. Обсуждаются формулы для токов через Si02, способы учета туннелирования в Si и резонансного туннелирования. В рамках моделей рассматриваются эффекты квантования в индуцированном инверсном/обогащенном слое, процесс релаксации носителей в кремнии, его влияние на баланс токов в режиме инверсии. Обосновывается выбор параметров.
Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике
В первой Главе мы сообщим необходимую начальную информацию о туннельных МОП структурах как объектах, а также сделаем обзор литературы, посвященной исследованию кремниевых приборов с туннельно-тонким диэлектриком.
Будет обсужден (раздел 1.1) критерий отнесения МОП структуры к разряду "туннельных" и на простейшем уровне рассмотрен вопрос об ее зонных диаграммах, решение которого лежит в основе объяснения почти всех физических свойств. В частности, будет показано, что при анализе поведения туннельной МОП системы далеко не всегда можно применять электростатическую модель структуры с непроницаемым слоем окисла, вычисляя токи лишь на заключительной стадии.
Представляя историю туннельных МОП структур, мы выделим два этапа: от конца 1960-х до середины 1990-х гг. (раздел 1.2) и последующий период (1.3). На первом этапе были изготовлены различные структуры с туннельно-тонкими пленками диэлектрика, отработана технология и заложены основы теории таких структур. Второй этап ознаменовался применением туннельных диэлектриков в качестве подзатворных в полевых транзисторах. Данная работа выполнялась .с 1992 по 2006 гг., поэтому последнее обстоятельство значительно повысило актуальность исследований и их практическую ценность. туннельным эффектом называется прохождение частицы через потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию частицы ([1], стр. 328).
В трехслойных полупроводниковых гетероструктурах барьер может создаваться запрещенной зоной материала среднего слоя [2, 3]. В МОП структурах таким материалом является диоксид кремния; ширина его запрещенной зоны составляет около 9 эВ [4]. Поскольку при туннельном прохождении энергия частицы Е не изменяется, его часто символически изображают горизонтальной линией, которая наносится на энергетическую зонную диаграмму структуры (Рис. 1.1). В зависимости от того, пересекает линия постоянной энергии трапецоид или треугольник, говорят, соответственно, о прямом тунне-лировании (англ.: direct tunneling, DT) или об инжекции Фаулера-Нордгейма (англ.: Fowler-Nordheim injection, IFN) [5, 6].
Как правило, наибольший вклад в ток дает перенос частиц с энергиями вблизи уровней или квазиуровней Ферми (Рис. 1.1с): положение именно этих уровней определяет, какой тип туннелирования - DT или IFN - доминирует в данном режиме смещения. Отметим, что в системе металл/БіОг/Зі переход от DT к IFN для дырок происходит при более сильном поле в окисле, чем для электронов. Надбарьерное прохождение называют термоэлектронной эмиссией.
Различение режимов DT и IFN имеет не только формальный смысл. Некоторые свойства МОП систем, в частности скорость деградации окисла, сильно зависят от того, попадают или нет транспортируемые электроны в разрешенную зону БіОг (см. в Главе 5). Согласно определению, сформулированному во введении, туннельной МОП структурой называется МОП структура, заметный перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомеханического туннелирования. Уточнение "прямого" принципиально, так как иначе любая структура могла бы считаться туннельной: при повышении напряжения поле в диэлектрике в конце концов окажется достаточным для активации IFN при произвольной толщине БіОг. Но прямое туннелирование (DT) способно обеспечить протекание заметного тока только в случае тонкого окисла. Точного разграничения, какие величины плотности тока считаются "заметными", а какие нет, не существует. Однако, весьма неплохим критерием отнесения МОП структуры к разряду туннельных может служить сопоставление токов DT через Si02 (оце ниваемых в предположении существования единого уровня Ферми для электронов и дырок в полупроводнике) с типичными величина ми тока термогенерации 2th в Si. Как будет понятно из дальнейшего, такой критерий связан с особенностями поведения МОП структуры. На Рис. 1.2 показаны напряжения на окисле [/, при которых туннельный ток электронов, рассчитываемый по простым формулам [7], сравнивается с jth (условно положено jth — j h = Ю б А/см2). Если q\U\ не превышает 3 эВ (высота барьера), то МОП структура может считаться туннельной.
Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора
Первые2 биполярные транзисторы с туннельным МОП эмиттером (А1/ SiCb/nSi) и индуцированной базой были изготовлены в середине 1980-х гг. [19, 34], но их усиление оказалось низким (около 100 и менее). В 1990-е годы, до начала наших работ, тоже не удалось получить транзисторы указанного типа с удовлетворительным усилением.
Описанные выше экспериментальные исследования подкреплялись моделированием вольтамперных и других характеристик приборов [32, 35-37]. Электронный и дырочный токи при этом рассчитывались по надежным формулам из теоретических работ 1960-х гг., но претендовать на высокую точность без применения подгоночных факторов было сложно, так как сведения о параметрах туннельных барьеров в то время были весьма противоречивыми (ср., например, [38, 39, 40]). Немаловажным обстоятельством оставались и технологические проблемы, приводившие к различию в поведении казалось бы идентичных структур. Тем не менее, к середине 1980-х гг. был заложен теоретический фундамент для моделирования характеристик туннельных МОП структур при не высоких напряжениях. Режимы, в которых поле в слое SiC 2 является достаточно сильным (так что напряжение на этом слое составляет более 1-2 В), в расчетных работах того времени почти не рассматривались. Иногда на них механически распространялись подходы, развитые для области слабых полей. Так, например, в [32] (безосновательно) утверждалось, что "в туннельной МОП структуре режим сильной инверсии не может быть реализован", а в [36] использовались формулы для подвижности в Si, исключающие анализ случая вырождения в приповерхностной области. Кроме того, при высоких напряжениях смещения несостоятельными оказывались электростатические модели туннельной МОП структуры, поскольку они не учитывали квантование вблизи интерфейса Si/Si02 [41]. Этот эффект в туннельной МОП структуре был впервые рассмотрен лишь в 1990-е гг. в наших исследованиях и в работах [42, 43], проводившихся параллельно. Таким образом, созданные до начала 1990-х гг. модели практически неприменимы для описания поведения туннельных МОП структур в режимах с на пряжением на диэлектрике в единицы Вольт, ввиду неучета эффек та квантования, а также факта инжекции МОП структурой горячих носителей. В конце 1980-х годов постепенно наметилось снижение интенсивности исследований МОП структур с туннельно-тонким окислом. Оно было во многом обусловлено тем, что проведенные примерно в это же время испытания стойкости относительно толстых (d 10 нм) слоев S1O2 к длительному протеканию тока [44, 45] дали не слишком оптимистичные результаты. Казалось естественным предположить, что совсем тонкие пленки БіОг (1-4 нм) будут еще менее стойкими к переносу заряда, особенно с учетом роста плотностей тока при уменьшении d, что сделает их совершенно непригодными для серьезных приборных применений. Как по этой причине, так и просто ввиду наличия туннелирования вопрос об использовании таких пленок в затворной секции полевого транзистора тогда даже не ставился. Можно сказать, что к началу 1990-х гг. интерес к туннельным МОП структурам был частично утрачен; они стали восприниматься как несколько экзотические объекты исследования (в противоположность "толстым" структурам, применяемым в полевых транзисторах). Заметим при этом, что слова "толстый окисел" в данном контексте от года к году фактически означали все меньшую толщину. В 1993-1995 гг. в полевых транзисторах использовались пленки с d = 5-7 нм, что всего в два-три раза больше, чем в туннельных МОП приборах. Поскольку поведение туннельных МОП структур в режимах сильного поля в диэлектрике (этим режимам соответствуют высокое напряжение на окисле, высокая плотность тока и высокая энергия инжектируемых электронов) определяется не только процессами туннелирования через БЮг, но и рядом других факторов, необходимо коснуться вопроса о состоянии дел в соответствующих областях. Процессы ударной ионизации в кремнии (именно они обусловливают переключение структур Al/Si02/nSi, см. выше) изучены достаточно обстоятельно [46-49]. Однако, к сожалению, именно в области энергий инжекции электрона 1-2 эВ, наиболее важной для изучаемых структур, данные по квантовому выходу ионизации являются недостаточно надежными, в то время как для более высоких энергий имеется достоверная информация. Наряду с ударной ионизацией, горячие электроны могут вызвать генерацию квантов света. В туннельных МОП структурах люминесценция никогда ранее не изучалась. Имеются данные по более толстым МОП структурам,, в которых электроны попадают в кремний путем инжекции Фаулера-Нордгейма (IFN) [50], а также теоретические расчеты спектров для ряда кремниевых приборов [51]. Помимо туннелирования через Si02, в некоторых режимах (в основном, при достаточно сильном легировании) возможно также туннелирование в полупроводнике. Этот процесс давно и хорошо изучен [52-55] и остается лишь решать задачи имплементации в конкретных случаях. Исследования деградации МОП структур проводятся постоянно - в связи с проблемами надежности диэлектрика в полевых транзисторах [56-64]. Ресурс работы туннельно-тонких диэлектриков пока исследован относительно слабее [65-69] - просто потому, что практические потребности ранее концентрировались вокруг толщин окислов, применявшихся в микросхемах соответствующего поколения. Поведение толстых МОП структур изучено весьма детально [12, 16], так что теория таких структур может служить основой для создания электростатических моделей (моделей для расчетов зонных диаграмм) также в случае туннельно-тонкого диэлектрика. В частности, можно считать исчерпывающим образом рассмотренным ([41, 70-73] и др.) вопрос о квантовании движения носителей в инверсионном или аккумуляционном слое. Разумеется, это не исключает дальнейшую разработку простых компактных моделей. Любопытно в связи с этим заметить, что туннелирование электронов в металл из квантовой ямы, образующейся вблизи интерфейса Si/Si02 при подаче отрицательного смещения на подложку, можно считать аналогом традиционно рассматриваемого в учебных курсах явления а-распада ([1], стр. 337). Вообще, что касается эффекта приповерхностного квантования и, соответственно, наличия двумерного электронного газа, то он был впервые обнаружен как раз в МОП структурах с толстым диэлектриком (см. предисловие к книге [41]). Более подробно известные литературные данные обсуждаются вместе с новыми результатами в соответствующих Главах. В настоящее время интерес к МОП структурам с туннельно-тонким окислом опять значительно повысился, но причины возникновения этой новой волны интереса почти не связаны с историей указанных структур, представленной в предыдущем разделе. Решающими здесь явились следующие обстоятельства (Рис. 1.6): было продемонстрировано (изготовлены соответствующие приборы) [74, 76], что туннельно-тонкий диэлектрик вполне может быть применен в качестве подзатворного в полевом транзисторе; выяснилось [7], что при изменении механизма переноса заряда через Si02 от инжекции Фаулера-Нордгейма к прямому туннелированию ресурс работы МОП структуры значительно увеличивается.
Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия
Для туннельных МОП структур, в которых DT является основным механизмом переноса, данное наблюдение имеет даже большее значение, чем для тех структур с толщиной окисла 4 нм, на которых выполнялись первые исследования. Можно сказать, что этот результат подводит фундамент как под применение туннельно-тонких окислов в качестве подзатворных (где перенос заряда через S1O2 является паразитным эффектом), так и под "старые" варианты применения (основанные на туннельном эффекте), см. раздел 1.2.
Понятно, что при таком развитии ситуации требования к точности, объему и достоверности информации о поведении туннельных МОП структур значительно повысились.
Естественным следствием этого стал резкий рост числа публикаций по данной тематике. Кроме того, две регулярно проводимые международные конференции: "International conference on INsulating Films On Semiconductors" - INFOS и "Workshop on Dielectrics in Microelectronics" -WoDiM, - в последнее время посвящаются почти исключительно туннельным МОП структурам [92, 93], а в программу многих других конференций по электронике (например, "International Electron Device Meeting" -IEDM) включаются соответствующие секции. Помимо статей по чисто техническим или технологическим вопросам [94-97], появляются работы по моделированию туннельных токов [98-107], а также исследования новых материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости3, перспективных для замены Si02 [108-111]. Публикуются и экспериментальные характеристики туннельных МОП структур, изготовленных на новом технологическом уровне [112-114], представляющие немалый интерес.
В области моделирования туннельного переноса заряда через S1O2 за последнее время не произошло каких-либо существенных изменений, если иметь в виду физическую сторону применяемых моделей (см. книгу [115], а также, например, работы [106, 116]). Однако - не в последнюю очередь благодаря возможности сопоставления результатов с данными измерений на образцах промышленного качества - удалось устранить значительную часть неопределенностей, связанных с параметризацией туннельных барьеров. Было окончательно установлено, что высоты барьеров в туннельной МОП структуре совпадают с соответствующими высотами в "толстой" структуре, а эффективная масса электрона в туннельно-тонком окисле составляет 0.42то [103, 67]. Вопрос выбора значений параметров барьеров рассматривается в Главе 3.
Как весьма примечательное событие следует оценить включение процедур расчета тока прямого туннелирования в новые версии некоторых широко применяемых программных продуктов, в частности в известный симулятор полупроводниковых приборов MEDICI [117].
С учетом изложенного, есть все основания утверждать, что туннельная МОП структура является одним из наиболее важных и наиболее интенсивно изучаемых объектов современной технической физики полупроводников. В связи с последним, нелишне сделать следующее замечание. Многие исследователи, работающие с туннельными МОП структурами сейчас, пришли в эту область из сферы "толстых" структур: ранее они занимались 10 нм окислами, затем 7 нм - БЮг, 5 нм и т. д.. Не удивительно, что при этом на диапазон толщин 1-3 нм переносятся методы и подходы, ранее применявшиеся к образцам с толстым диэлектриком, а ряду аспектов функционирования именно тонких МОП структур в литературе последнего времени уделяется не так много внимания. В итоге, например, количество новых работ по моделированию электронного тока из кремния в металл весьма велико, а работ, в которых анализируется еще и дырочный ток, почти нет. Нередко авторами не учитывается и квантование вблизи интерфейса Si/Si02, как оно не учитывалось в исследованиях "толстых" структур в режимах относительно слабых полей 15-20 лет назад. При этом игнорируется то обстоятельство, что в приборах с тонким окислом квантовые эффекты могут проявиться при более низких напряжениях на клеммах и, вообще говоря, более ярко, особенно в величине измеряемой емкости (см. [118, 119]). Что касается транзистора с туннельным МОП эмиттером, то ему посвящены лишь немногие публикации последних лет [42, 43, 112, 120-122]. Таким образом, приходится констатировать, что вопросы использования туннельной МОП структуры как инжектора, которые были в центре внимания в 1970-е - 1980-е годы, практически не получили развития в последнее время, несмотря на явно возросший уровень мотивации.
По нашему мнению, хотя основной причиной интереса к туннельно-тонким слоям окисла на кремнии сегодня является возможность их использования в полевых транзисторах и - соответственно - в производстве интегральных схем, более ранние варианты применения туннельных МОП структур, описанные в предыдущем разделе, не только не должны оказаться забытыми, но и заслуживают дополнительного рассмотрения на новом уровне. Дело в том, что исследования переноса заряда через слой диэлектрика, как например в биполярном транзисторе с туннельным МОП эмиттером, имеют большое значение для анализа токов затвора в полевых транзисторах. Они дают важный вклад в область крем ниевой электроники, получившую название "gate engineering" [123-125], задачами которой являются подбор материалов для затворной секции и изучение их электрических характеристик.
Значительная часть настоящей работы посвящается изучению электрических и оптических свойств туннельной МОП структуры, обусловленных инжекцией горячих электронов из металла в кремний. Подлежащие рассмотрению вопросы были конкретизированы во Введении. Проведенная работа отталкивается от начатых в отделе Сильноточной Электроники ФТИ РАН в конце 1980-х гг. исследований инжекционной способности туннельной МОП структуры [126] и оже-транзистора с туннельным МОП эмиттером [28].
Однако, как мы полагаем, все полученные результаты, обсуждаемые в последующих Главах, могут быть в той или иной степени интересны также для исследователей полевых транзисторов с подзатворным окислом нанометровой толщины.
Наблюдение деградации электрических характеристик приборов
В режиме аккумуляции ток через МОП структуру ограничивается вероятностью туннелирования, так как необходимое количество основных носителей всегда может быть поставлено. Как мы видели в Главе 1, распределение прикладываемого смещения в туннельной МОП структуре в режиме аккумуляции приблизительно соответствует модели толстой структуры, то есть напряжение на окисле U соизмеримо с величиной V — VFB- Известно [1], что вероятность туннелирования быстро нарастает при уменьшении толщины барьера d и. усилении поля \U\/d,B нем. Поэтому резкий рост тока с напряжением, равно как и с уменьшением d, в режимах обогащения сразу понятен и для nSi, и для pSi. Отметим, что в обоих случаях основным током является электронный ток je.
В режиме инверсии/обеднения, как указано также в Главе 1, при невысоком ND (NA) значительная часть напряжения может падать на полупроводнике. Для понимания поведения структуры необходимо проанализировать баланс токов неосновных носителей. Для случая nSi: где jbuik - суммарный ток поступления неосновных носителей из толщи Si к интерфейсу Si/SiC . Компонента je - (М-1) или jh (Мр — 1) учитывает умножение основных носителей и связанную с этим эффектом положительную обратную связь по току; через М (Мр) обозначен коэффициент умножения электронов (дырок).
Появление М/0 (или Мр ф 0) связано с оже-ионизацией [38 ], то есть с генерацией электронно-дырочных пар инжектированными из металла горячими носителями соответствующего типа, а также с возможным влиянием сильного поля области пространственного заряда [38 ]. При этом, вообще говоря, ударная ионизация, вызываемая дырками в кремнии, менее эффективна, чем вызываемая электронами [49, 129] (Мр мало).
Ток jbuik чаще всего положителен, невелик и создается лишь термогенерацией. Только если по каким-либо причинам взаимное положение квазиуровня Ферми неосновных носителей и уровня Ферми толщи таково, что оно соответствует прямосмещенному pn-переходу, jbuik может стать отрицательным и большим по модулю.
Малость тока jbuik означает малость jh (для nSi) или je (для pSi). В результате напряжение на окисле \U\ будет низким и слабо связанным с V, а токи в таких режимах - в зоне V 0 для pSi и V 0 для nSi (нижняя ветвь) - невелики. Основным током при этом является электронный, в том числе и для nSi (из-за Хе Хт инжекция электронов возможна даже при U 0). В структурах на pSi в такой ситуации j « je = jbuik ф f{d), а в случае nSi j зависит от rf, так как j « je jbuik S-образность кривой J(V) появляется вследствие упомянутой выше положительной обратной связи по току. В режимах на сильноточной "включенной" ветви М весьма велико и jbuik 0. Высокое значение М обеспечивается при этом без влияния поля обедненной области, и можно считать, что М — 1 P(Einj), где Р - квантовый выход оже-ионизации [38 ], a Einj - характерная энергия инжектируемых электронов.
В общем же случае М определяется не только функцией P(Einj), но и полем области объемного заряда. При увеличении Np это поле усиливается и, кроме того, несколько возрастает энергия инжекции E{nj из-за нарастающего вклада заряда доноров в напряжение \U\. В итоге напряжения V, необходимые для достижения тех или иных значений М, снижаются. Это означает сужение S-образного сегмента [38 , 69 , 71 ], что и наблюдается в эксперименте. Влияние параметра d на напряжение Vsw определяется поведением коэффициента инжекции МОП эмиттера (см. в Главе 3).
Эффект переключения обнаруживался, в том числе и нами, для некоторых МОП структур Al/Si02/nSi с толстым (до 20 нм) окислом [9 ]. Бистабильность этих приборов имеет - на качественном уровне - ту же природу, что и переключение туннельных структур, хотя механизмы попадания горячих электронов в Si через слой Si02 весьма различны.
Обеспечить переключение образцов на pSi невозможно из-за малости Мр, а также ввиду того, что je jft. Последнее обстоятельство, кстати, в немалой степени помогало переключению структур на nSi.
В узком диапазоне между 0 и VFB в структурах на pSi происходит изменение изгиба зон в полупроводнике при почти постоянном напряжении на окисле, что и обусловливает малость изменения тока j.
Отметим, что ток jbuik можно значительно увеличить за счет нагрева или освещения структуры. Туннельные МОП диоды обнаруживают отчетливую фоточувствительность при обратном смещении (при У 0 для nSi и при V 0 для pSi, Рис. 2.5а,Ь). Однако, влияние освещения на структуры разных типов легирования весьма различно. Для pSi (Рис. 2.5Ь) наличие подсветки приводит к подъему всей обратной характеристики и смещению нуля тока (напомним, что напряжение плоских зон VFB Для таких структур составляет около +1 В). Для nSi (Рис. 2.5а) "смещение нуля" не столь заметно (Урв 0), но имеет место сужение S-образного сегмента вплоть до полного его исчезновения при очень сильном освещении.
