Введение к работе
Актуальность темы: Исследование электронных процессов в кремниевых туннельных и квазиодномерных структурах в настоящее время представляется исключительно важным.
Интерес к исследованию ВДП диодов, т.д. структур металл -диэлектрик - полупроводник с толщиной диэлектрического слоя менее 50 8," в которых нельзя пренебречь его проводимостью, возник более 20 лет назад и был связан вначале с изучением механизмов токоцрохоздения, в особенности туншлирования. В последние годы практический интерес к исследованию такого рода структур с про-еодящнм туннельным диэлектриком (НТДП структур) обусловлен целым рядом обстоятельств. К ним можно отнести: необходимость уменьшения толщина подзатворного диэлектрика ( вплоть до 25 - 30 2 ) в кремниевых полевых транзисторах в связи с уменьшением длины канала до субмикронных размеров в современных интегральных схемах"; создание МДП транзисторов с туннельным эмиттером, разработку высокоэффективных фотовольтаических преобразователей излучения и фотоприемников, МТДП переключателей и генераторов» работающих на эффекте поворхпостно - барьерной неустойчивости.
Исследование туннелирования носителей заряда сквозь промежуточный окисел представляет значительный научный интерес, поскольку вопросы зонной структуры и макроскопического описания окисных слоэв толщиной 10 - 40 2, химического состава окисла и переходных слоев остаются до конца не. выясненными.
Исследование свойств кремниевых ПТДП структур с поликрем- . ниешм, а не металлическим электродом представляется более актуальным потому, что структуры с поликремниевым электродом имеют, как правило, более низкую результирующую дефектность и высокую надеггкость. Последнее обусловлено тем, что в первом случае наиболее полно сохраняются свойства выращенных сверхтошаа окисных слоэв при нанесении затворного электрода вследствие использования для него материала, слабо взаимодействующего с поверхностью диэлектрика.
Структуры высоколегированный р+- поликремниЯ - туннелыю -
прозрачный жисннй слой ( толщиной 17 - БО Я ) - р - кремний интересны в связи с тем обстоятельством, что вследствие присутствия в окисле положительного заряда они являются единственными из изотипных структур высоколегированный поликремний - термический окисел - кремний, в которых следует ожидать начального обедняющего изгиба зон в кремнии. Такие структуры, следовательно, должны быть во шюгом аналогичш МТДП структурам с обедняющим изгибом зон в области полупроводника.
О начала восьмидесятых годов активно исследуются системы с квазиодномерным электронным газом, т.е. структуры, в которых создается дополнительное ограничение двумерного 'электронного газа шириной проводящего канала, приводящее к дополнительному квантованию энергетического спектра двумерной электронной подсистемы в направлении поперек канала и возникновению квазиодномерного электронного спектра. Квазиодномерная ЦДЛ структура, в которой электронный аккумуляционный канал ограничивается с боков обрат-носмещенными относительно п - подложки pf- областями, наиболее интересна в связи с тем обстоятельством, что изменение напряжения на затворе позволяет менять число носителей в канале, а изменение потенциала боковых р+- электродов позволяет плавно менять ширину проводящего канала. Анализ и расчет такой структуры важен для изучения задачи о характере расширения проводящего канала с ростом напряжения на затворе, т.е. задачи о переходе при сверхнизіак температурах от квазиодномерного к двумерному электронному газу с ростом числа носителей в канале.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик структур высоколегированный р+- поликремний - туннельно прозрачный окисный слой ( толщиной 17 - 50 2 ) - р - кремний при различных параметрах окисных слоев и теоретический расчет кремниевой ШП структуры с квазиодномерным электронным каналом.
При изучении электронных процессов в туннельных ПТДП структурах в качества объектов исследования использовались р+- St*-SIQ2 - р - SI - структуры с окислом, выращенным методом низкотемпературного те^.яіческого окисления кремния, и слоем поликремния, легированным в процессе роста из газовой фазы. Структуры
- б -
были изготовлены сотрудниками НИИ "Электрон" С.К. Бойцовым и Ю.С. Зинчиком.
Анализ полученных в диссертащюнной работе результатов позволяет следущим образом сфорлулировать основные выносимые на защиту положения:-
-
В изотшшых 'структурах р+- шшжремний - туннелыго -тон-їсий S102 - р - Si с окислом, выращенным методом низкотемпературного (при 7000) термического окисления кремния, диодный характер ВАХ обусловлен начальным обедняющим изгибом зон в р - St , связанным с фиксированным положительным зарядом в окисле, который локализован на расстоянии до 20 2 от границы раздела St -sw2 .
-
В структурах р+- поликремний - StOx - р - St уменьшение туннельной прозрачности окислов с толщинами менее 21 2, выращиваемых методом- термического окисления кремния при 700С , происходит с ростом времени окисления ( в интервале 1-5 кинут ) нэ только в результате увеличения толщины окисла, но и за счет извинения его состава - увеличения содержания кислорода. ч
-
В изотипных р+- St* - StOg - р - St 'структурах вольтамперные характеристики в области ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика носят резко выраженный пороговый характер, что связано с переходом границы раздела р - Si - SW2 в состояние обогащения основными носителями. При этом величина протекающего тока имеет степенную зависимость от приращения на-
пряаеппя выше напряжения плоских зон.
4. . Появление участка отрицательного дифференциального
сопротивления на динамических вольтамперных характеристиках ПТЖ
структур,- подвергнувшихся предварительному облучению импульсом
мекзошюго света, связано с перезарядкой ловушек окисла и грани
цы раздела Si - SJOr, , захвативших неосновные фотогенерированные
носители заряда эквивалентным количеством основных носителей,
инкектируешх в окисел при подаче линейно изменяющегося со
временем прямого смещения.
5. Эффекты окранирования з МДП структуре с квазиодномерным
электронным газом могут быть учтены в рамках приближения сильно
неоднородного двумерного электронного газа, в котором вариацией-
ный парамеїр " о'*1 волновой функции (z, Ь (х)) типа Фэнга -Ховарда в + z - нацравлешш является функцией от координаты "х" поперек канала и находится из условия постоянства квазиуровня Ферми в целом по ширине канала и согласования в граничном условии соответствущего распределения концентрации двумерных носителей па(х) с 6/6z- производными от распределения электростатического потенциала в диэлектрика и полупроводнике.
Научная новизна -работы определяется перечисленными нике основными результатами, полученными впервые:
-
На вольтамперных характеристиках структур р+- St*-SW2 -р - St с поликремниевым электродом, легированным в процессе роста из газовой фазы, идентифицированы при прямых прижженных смещениях два реаима токопрохоадения: область ограничения тока полупроводником и область ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика.
-
Показано, что изменение формы динамической вольтамперной характеристики ПТДП структуры с ростом интенсивности предварительного импульса излучения заданной длительности свидетельствует об увеличении доли ловушек окисла и границы раздела St -SWg, заполненных зарядом неосновных фотогенерированных носителей. Неизменность формы динамической вольтамперной характеристики, начиная с некоторого уровня интенсивности импульса облучения, в свою очередь свидетельствует о полном насыщении ловушек в системе зарядом неосновных носителей.
-
Показало, что переход к термоциклированию в процессе выращивания окисного слоя не приводит к катастрофическому увеличения величины захватываемого в окисле и на границе раздела заряда и, следовательно, числа ловушек в системе.
-
Впервые в отечественной практике исследованы кремниевые туннельные ПТДП структуры, в которых воспроизводимо реализуется сильный спад туннельного тока через окисел с ростом его толщины от 17 до 30 2 ( скорость спада » 6,5 <ЗВ / ).
-
Аналитически рассчитано распределение потенциалов в МДП структуре с квазиодномерным электронным газом, при этом в расчетах принято во вьііМание распределение подвижного заряда. Рассчитаны распределения поверхностных зарядоз на металлургических
границах раздела и интерфейсах структуры. В рамках приближения
сильно неоднородного двумерного электронного газа описана про
цедура установления квазиравновесия по ширине проводящего кана
ла. .
Практическая -значимость работы определяется возможным применением исследованных в работе туннельно - тонких слоев для широкого круга перспективных приборных структур. Вакными, с этой точки зрения, являются следующие результаты:
-
Изотитше туннельные р+- Si*- SW2 - р - Si - структуры, полученные методом термического (при,700С) окисления кремния в комплексе с последующим осаждением слоя поликремния, легированного в процессе роста, имеют в случае большой величины встроенного в окисел положительного заряда (Qy > 0,9 - 1,5-Ю ^эл./см2) ярко выраженный диодный'характер ВАХ.
-
В результате систематических исследований туннельных характеристик изотишпа р+- St*- SiOg - р - Si структур различных серий, отличающихся лишь временем изготовления, установлено, что технология низкотемпературного термического окисления кремния позволяет воспроизводимо получать туннельные ПТДП структуры с бездефектным промежуточны!,! слоем окисла.
Апробация работы: Основные результаты включенных в диссертацию исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, на IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" ( Новосибирск,,1988 ), на XI и XII Всесоюзных конференциях по физике полупроводников ( Кишинев, 1988 ; Киев, I9S0), на VII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1989), на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), на XXVI Всесоюзном совещании по физике низких температур ( Донецк, 1990), на VI Республиканской научно - технической конференции "Физические проблемы ЦДЛ интегральной электроники" (Севастополь, 1990 ), на II Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991). Соответствующие названия тезисов помещены в списке научных публикаций по томе диссертации.
Публикации. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, изложены в 15 публикациях.
Структура диссертации. диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации составляет 184 страницы, включая 41 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 120 наименований.
