Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дефекты и основные механизмы дефектообразования в структурах S і - S Ю2 13
1.1. Строение термически полученного окисного слоя на поверхности кремния 13
1.2. Основные дефекты в слоях двуокиси кремния на кремнии . 15
1.3. Дефектообразование в структурах Si-SiC>2 18
Глава 2. Методика эксперимента 21
2.1. Используемые образцы 21
2.2. Экспериментальные методы исследования 23
2.2.1. Особенности системы электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДГТ) 23
2.2.2. Измерение ВЧ вольтфарадных характеристик (ВФХ) системы -электролит 26
2.2.3. Метод полевых циклов 28
2.2.4. Метод послойного стравливания 30
2.2.5. Метод кинетик тока 34
2.2.6. Метод электролюминесценции 39
Выводы к главе 2 41
Глава 3. Зарядовая стабилизация в структурах, полученных с помощью ионной имплантации 42
3.1. Процессы дефектообразования при ионной имплантации 42
3.2. Зарядовое состояние структур Si-Si02, подвергнутых имплантации ионами аргона 45
3.2.1. Изменение зарядового состояния структур Si-SiC>2 первого типа в результате ИИ 45
3.2.2. Пространственное распределение зарядов, образующихся в результате ИИ в структурах первого типа 48
3.2.3. Влияние БТО на зарядовое состояние структур первого типа, подвергнутых ИИ 49
3.2.4. Изменение зарядового состояния структур Si-Si02 второго типа в результате ИИ и БТО 55
3.2.5. Итоги изучения изменений зарядового состояния структур Si-Si02 в результате ИИ аргона 58
3.3. Влияние менее энергетичных воздействий на электронные процессы в ионно-имплактированных аргоном структурах Si-Si02 59
3.3.1. Влияние БУФ-облучения на зарядовое состояние ионно-имплантированных аргоном структур Si-Si02 59
3.3.2. Влияние электрического поля на зарядовое состояние ионно-имплантированных Аг структур Si-SiCb 62
3.3.3. Влияние электрического поля на зарядовое состояние ионно-имплантированньтх Аг структур второго типа 68
3.4. Зарядовое состояние структуры Si-Si02, ионно-
имплантированных кремнием 72
3.5. Зарядовое состояние структур S1-S1O2, полученных по технологии SIMOX 79
3.6. Электролюминесценция структур Si-Si02, полученных с
помощью ионной имплантации 86
3.6.1. Электролюминесценция структур Si-Si02, имплантированных ионами аргона 88
3.6.2. Электролюминесценция структур Si-Si02, имплантированных ионами кремния 94
3.6.3. Электролюминесценция STMOX-структур Si-SiC^ 95
Выводы к главе 3 100
Глава 4. Эффекты зарядовой компенсации в структурах Si-Si02 после низкоэнергетичных внешних воздействий 102
4.1. Зарядовая компенсация в структурах Si-Si02 в экстремальных электрических полях 102
4.2. Зарядовое состояние структур Si-Si02 после ВУФ-облучения 112
4.3. Зарядовая компенсация в структурах, полученных термическим окислением кремния с изовалентно замещенным германием (Si:Ge-Si02) 121
4.4. Зарядовая компенсация в структурах Si-Si02, с толщиной окисного слоя менее 45 нм 128
4.5. Особенности ЭЛ структур Si-Si02 в условиях реализации эффекта зарядовой компенсации 146
Выводы к главе 4 149
Глава 5. Механизмы зарядовой стабилизации и природа образующихся ЭАЦ 151
5.1. Предварительные замечания о механизмах зарядовой стабилизации 151
5.2. Формирование зарядового состояния структур Si-Si02 в результате ИИ Аг 153
5.3. Формирование зарядового состояния структур Si-Si02 в результате ИИ Si 162
5.4. Формирование зарядового состояния SIMOX-структур 166
5.5. Зарядовая компенсация в структурах Si-Si02 после воздействия экстремально сильных электрических полей 168
5.6. Эффекты зарядовой компенсации при ВУФ-облучении структур Si- Si 02 171
5.7. Эффекты зарядовой компенсации в структурах на основе термически окисленного кремния с изовалентно-замещенным германием (Si:Ge-SiOj) 172
5.8. Эффекты зарядовой компенсации в структурах Si-SiC>2 с толщиной окисного слоя менее 45 нм 174
Выводы к главе 5 177
Основные выводы 179
Список литературы
- Основные дефекты в слоях двуокиси кремния на кремнии
- Особенности системы электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДГТ)
- Пространственное распределение зарядов, образующихся в результате ИИ в структурах первого типа
- Зарядовая компенсация в структурах Si-Si02, с толщиной окисного слоя менее 45 нм
Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из факторов, определяющих темпы научного и технического прогресса в твердотельной электронике, является успешное проведение фундаментальных исследований физико-химических процессов, протекающих в структурах полу про водник-диэлектрик (ДП), в первую очередь в структурах Si-Si02, при их изготовлении и эксплуатации. Это было обусловлено тем, что структуры S1-S1O2 и создаваемые на их основе функциональные устройства являлись основой элементной базы современной твердотельной электроники. Однако развитие коммуникационных технологий и увеличивающаяся миниатюризация предъявляют к микроэлектронным устройствам новые требования, выполнение которых невозможно даже при использовании таких совершенных структур как Si-Si02, сформированных путем термического окисления кремния. Одним из таких требований, например, является переход от электрической передачи данных к оптической передаче, что равносильно попытке создания оптоэлектронных приборов на основе существующей кремниевой технологии. Все это привело к тому, что, начиная с 1990-х годов, в микроэлектронике и твердотельной электронике появился целый ряд устройств, использующих в качестве основы структуры кремний-диэлектрик, в которых в качестве диэлектрика использовался модифицированный слой двуокиси кремния. Такие структуры формировались:
— путем термического окисления кремния и последующей направленной
модификации свойств окисного слоя внешними, зачастую
экстремальными, воздействиями (радиационное облучение,
имплантация, термополевые воздействия и т.д.)
- путем термического окисления предварительно модифицированной
кремниевой подложки (кремний с изовалентнозамещенным германием,
пористый кремний и т.д.)
- использование принципиально другой технологической базы: кремний
на изоляторе, SIMOX- технология и т.д.
Оказалось, что такие структуры обладали целым набором специфических свойств, среди которых для нас представляет особый интерес их реакция на различные внешние воздействия, связанные с возбуждением атомной и электронной подсистем ДП-структур и их последующей релаксацией, приводящей к различным видам атомных перестроек, включая процессы дефектообразования.
В связи с вышеизложенным представляется целесообразной и актуальной постановка работы, в которой было бы проведено изучение электрофизических свойств и характера протекающих электронных процессов в структурах кремний-модифицированный окисный слой. Цель работы.
Цель настоящей работы заключалась в изучении электронных процессов в структурах кремний-модифицированный слой Si02 и выявлении на этой основе общих закономерностей в изменении электрофизических свойств данных структур в результате внешних (экстремальных) воздействий. Задачи.
Для реализации данной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка новой и усовершенствование существующих методик для изучения электронных процессов в модифицированных окисных слоях на кремнии.
Исследование основных закономерностей образования электрически активных центров (ЭАЦ) в ДП-структурах, полученных с использованием ионной имплантации (ИИ).
Исследование основных закономерностей образования ЭАЦ в структурах Si-Si02 при менее энергетичных экстремальных воздействиях.
8 4. Выявление общих закономерностей изучаемого круга явлений и разработка модельных представлений о процессах формирования ЭАЦ в модифицированных окисных слоях на кремнии.
Для успешного решения поставленных задач в работе была
*\ использована система электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДП),
обладающая рядом преимуществ перед традиционно используемой для подобных исследований системой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). ЭДП система позволяет создавать в диэлектрическом слое значительно более сильные электрические поля (до 30 МВ/см для слоя SiC>2 толщиной 30 нм), не вызывая деструктирующего пробоя, и осуществлять эффективный контроль за свойствами Д11-структур. При этом используются как традиционные для микроэлектроники методы (вольтфарадных и вольтамперных характеристик), так и специально разработанные (в том числе и в рамках настоящей работы) применительно к ЭДП-системе методы (полевых циклов, кинетик тока, послойного профилирования, электролюминесценции).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые показано, что полевые воздействия на структуры Si-Si02, приводящие к развитию процесса ударной ионизации (УИ) в объеме Si02, сопровождаются формированием сложной зарядовой структуры окисного слоя: образованием отрицательного и положительного зарядов. При этом отрицательный заряд расположен ближе к границе с кремнием.
Проведено детальное изучение зарядового состояния окисных слоев структур Si-Si02, модифицированных или сформированных с помощью ИИ. Выявлен эффект зарядовой компенсации, заключающейся в формировании при определенных условиях
* пространственно разнесенных зарядов разного знака. Показана
9 возможность управления зарядовым состоянием таких структур при помощи облучения светом из области ближнего ультрафиолета (БУФ-облучения).
Впервые обнаружена значительная модификация окисного слоя в результате облучения светом из области вакуумного ультрафиолета (ВУФ-облучения), заключающаяся в формировании в области МФГ Si-S102 высокой концентрации ЭАЦ, образующих пространственно разнесенные заряды разного знака непосредственно после ВУФ-облучения и изменяющие свое зарядовое состояние при последующих даже слабых (~4 МВ/см) полевых воздействиях.
Впервые обнаружена существенная зависимость процессов полевого дефектообразования в структурах Si-Sid от толщины окисного слоя. Показано, что полевые воздействия на структуры с толщиной окисного слоя менее 45 им сопровождаются подключением дополнительного порогового механизма генерации положительно и отрицательно заряженных дефектов в области 10-20 нм — от МФГ Si-Si02 в области полей, не приводящих к развитию процесса УИ в объеме окисного слоя.
Выявлены основные закономерности формирования зарядовых свойств структур S1-S1O2 с модифицированным окисным слоем. Предложена модель, связывающая наблюдаемый эффект зарядовой компенсации в этих структурах с образованием пространственно разнесенных нестехиометрических областей SiOx сх>2их<2.
Практическая значимость работы.
1. В работе предложен и апробирован метод исследования изменений зарядового состояния структур Si-SiCb непосредственно в процессе полевого воздействия, основанный на измерении кинетик сквозного тока, протекающего через структуру при полевом воздействии.
Обнаруженное в работе влияние БУФ-об лучения на SIMOX-структуры может быть использовано при разработке специальных датчиков УФ-излучений.
Показана возможность существенного управляемого изменения зарядового состояния окисных слоев на кремнии путем их модификации при помощи контролируемых внешних воздействий.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод кинетик тока —метод исследования зарядового состояния структур кремний-диэлектрик непосредственно в процессе полевого воздействия.
Основные закономерности изменения зарядового состояния структур Si-Si02 в результате возбуждения и последующей релаксации атомной (ионная имплантация) и электронной (электрическое поле, ВУФ-облучение) подсистем окисного слоя заключающиеся в образовании пространственно разнесенных зарядов разного знака в области межфазовой границы Si-Si02 (эффект зарядовой компенсации).
Модельные представления о процессах зарядовой компенсации, связывающие образование в результате модификации окисного слоя зарядов разного знака с формированием в области окисного слоя вблизи поверхности кремния нестехиометрическх областей SiOx с х>2их<2.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Диссертация содержит 189 стр., включая 97 рисунков на 57 стр., 4 таблицы и 79 наименований библиографических ссылок на 8 стр.
11 Публикации.
Основные результаты работы опубликованы в виде статей и тезисов докладов на конференциях в восьми печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата. Апробация работы.
Результаты работы были доложены на Итоговом семинаре по физике и астрономии для молодых ученых (Санкт-Петербург, 2002 г.), V Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, 2002 г.), X Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2004 г.). Вклад автора.
Основные экспериментальные и теоретические результаты диссертационной работы получены автором. В ряде коллективных работ автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения. Основное содержание работы.
Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость.
Основные дефекты в слоях двуокиси кремния на кремнии
Разорванная напряженная кремниево-кислородная связь [(OsSi)=Si-0\. Si=(Si03)] является амфотерным дефектом, т.е. может захватывать как электрон, так и дырку. При полном разрыве связи (пространственном разделении фрагментов) возможно заряжение образующихся дефектов: =Si-0-Sb -» =Si+ + -(O-Si) Si03) - =Si+ + "0-Si= . Возможна координация образующегося =Si+ центра с ближайшим к нему атомом кислорода [17]: =Si+ + 0- =Si-0+.
Энергетическое положение однокоординированного атома кислорода составляем 5,3 ±0,3 эВ ниже края зоны проводимости двуокиси кремния (примерно на 1 эВ ниже края валентной зоны Si). Энергетическое положение атомов требхкоординированного кремния составляет 4,6 + 0,3 эВ выше валентной зоны двуокиси кремния, т.е. вблизи валентной зоны кремния [19, 17].
Вакансия кремния или двойной центр немостикового кислорода [=Si-0 + 0-Si=], образующаяся при разрыве перекисной связи, являемся ловушкой для электронов. Это образование стабильно в матрице Si02 и может являться результатам взаимодействия силанольных групп [20]: sSi-O-H + H-0-Si= -» Si-0-0-Si= +Н2; и последующего захвата электрона: Si-0-0-Si= + е" - =Si-0 + "0-Si= .
Еще одним типом объемных дефектов в SiC 2 является двухкоординированный кремний [Cb Si:] (силиленовый центр), который не является электрически активным центром, а проявляется, как будет показано ниже, в люминесценции [21, 13, 22, 23].
Наиболее разнообразным и менее изученным является спектр дефектов в области МФГ Si-SiC 2. В области МФГ собственные дефекты, являющиеся как электронными, так и дырочными ловушками, имеют более сложную конфигурацию.
В наиболее общем виде «болтающуюся» связь кремния можно представить в виде (SixOy)=Si .
Ниши впервые методом ЭПР наблюдал парамагнитный дефект, который он назвал Рь- центр [24]. Этот дефект, представляющий собой трехвалентный кремний на МФГ Si3=Si (х=3, у=0), был детально изучен в работах [25, 26] и назван Рм- центром. В этих же работах наблюдался второй амфотерный дефект Ры, присущий ориентации поверхности кремния (100), который имел конфигурацию (Si20)=Si"(x=2, у—1). Центры Рьо и Ры приводят к появлению 2— х дискретных уровней поверхностных состояний (ПС) в верхней и нижней половинах запрещенной зоны кремния [27]. Однако, эти пики не всегда отчетливо проявляются на фоне U-образного непрерывного спектра ПС.
В заключение этого раздела необходимо отметить, что в окисном слое помимо собственных дефектов существуют примесные дефекты, связанные с наличием в Si02 фрагментов воды (Н, ОН) [17, 20]. Существование водорода в окисных слоях приводит к образованию дефектов типа =Si-H, которые преимущественно локализованы вблизи МФГ Si-Si02 [28]. Наличие силанольных групп приводит к образованию дефектов типа =Si-OH, которые преимущественно локализованы во внешней части окисного слоя [1, 29].
Многочисленные исследования процессов генерации дефектов показали идентичность дефектообразования при различных видах внешних воздействий, что позволяет рассмотреть модели образования дефектов с единых позиций. Значительную часть существующих моделей можно условно разделить на два класса [30]: 1 - предполагающие участие водорода в процессе дефектообразования («водородные» модели); 2 - предполагающие участие дырок в процессе дефектообразования («дырочные» модели).
Одна из первых водородных моделей была предложена в работе [31]. В ней предполагалось, что дырки во время транспорта через окисный слой способствуют освобождению ионов водорода в объеме SiC 2 (первая стадия). Эти ионы перемещаются в область МФГ (вторая стадия) и участвуют в образовании ПС. В этом случае скорость генерации ПС определяется доставкой водорода к МФГ. Аналогичная модель, предлагающая перенос водорода в незаряженной форме была предложена в работах [32, 33]. В работе [34] диффузионное перемещение атомов водорода из объема к МФГ приводило к разрыву Si-H связи с образованием молекулы Нг и «болтающейся» связи кремния, которая выступала в роли ПС.
В «дырочных» моделях образование дефектов в двуокиси кремния и на МФГ предполагает только захват дырок. Дырки, захваченные вблизи границы раздела, приводят к образованию ПС, а дырки, захваченные в объеме окисного слоя, приводят к образованию встроенного заряда. В работе [35] предполагали, что инжектированная дырка захватывается в узком переходном слое вблизи границы раздела с кремнием напряженной Si-O связью и приводит к ее разрыву: =Si-0-Sb + h+ - =Si-0+ + sSi .
В результате образуется неподвижный трехвалентный кремний и подвижный немостиковый кислород. Разрыв Si-O связи сопровождается частичной перестройкой окружающей решетки, что исключает ее обратную релаксацию при последующих воздействиях,
В работе [36] предполагалось, что захват дырки на любую связь (Si-O, Si-O-Si, Si-OH) приводит к ее разрыву с образованием немостикового кислорода, являющегося электронной ловушкой. При разрыве напряженной Si-O связи образуется также трехвалентный кремний, представляющий эффективную ловушку для дырок [37, 38]. Немостиковый кислород затем мигрирует к МФГ и согласно [31] способствует образованию ПС. Параллельным механизмом является миграция водорода, возникающего при разрыве Si-H связей.
В ряде работ [1, 39, 40, 41] процесс дефектообразования в структурах Si-Si02 связывается с наличием в окисном слое электронов с избыточной энергией и последующими процессами ее диссипации. Процесс дефектообразования при этом носит пороговый характер и будет рассмотрен более детально в главе 4.
Особенности системы электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДГТ)
Для определения в едином цикле концентрации в исследуемом диэлектрическом слое электрически активных центров (ЭАЦ) в работе был использован разработанный применительно к ЭДП-системе (с учетом ее особенностей) метод полевых циклов [44, 45].
Метод заключался в измерении полевых зависимостей потенциала плоских зон Урв(ЕОхД0? проводимых в широком диапазоне полей. Временные интервалы анодной поляризации («+» на Si) At выбирались таким образом, чтобы достичь максимальной перезарядки ЭАЦ при данном значении средней напряженности электрического поля в диэлектрическом слое (Eox=Eox=Vg/dOT). Конкретные значения At(Eox) были предварительно определены из кинетик AVpB(t) при заряжении структуры в постоянном электрическом поле окисного слоя Еох. Было установлено, что по виду зависимости VFB(Eox) весь диапазон исследуемых полей можно условно разделить на 4 области (рис. 2.4, области Е1-Е4)? различающиеся характером протекающих электронных процессов. Ранее было установлено, что в области полей Е1 инжекция электронов из электролита в S1O2 заблокирована (Еох Е) и зависимость VFB(E0X) отражает процессы инжекции дырок из Si в диэлектрический слой и их последующего захвата на локализованные в нем ловушки. Это позволяет по максимальному изменению VFB оценить эффективную (без учета центроида) концентрацию дырочных ловушек. В области полей Е2 в сквозном токе доминирует электронная компонента, которая определяется переносом термализованных электронов. В этой области полей можно оценить (по сдвигу VFB) эффективную концентрацию биографических электронных ловушек. При дальнейшем увеличении поля все более заметным становится процесс разогрева электронов в зоне проводимости диэлектрика. В области полей ЕЗ (первая стадия разогрева электронов) зависимость VFB(Eox) отражает процесс формирования новых ЭАЦ за счет трансформации преддефектов в дефекты [45]. В качестве преддефектов рассматриваются ослабленные (напряженные) химические связи, возникающие в процессе стабилизации биографических дефектов, образующихся в структурах при их формировании. В области полей Е4 (вторая стадия разогрева электронов) избыточной энергии горячих электронов оказывается достаточно для развития процесса ударной ионизации (УИ) в объеме исследуемого диэлектрика. Процесс УИ (межзонной генерации электронно-дырочных пар) сопровождается интенсивным дефектообразованием из-за разрыва регулярных связей основной матрицы (например, связей Si-О в случае Si02) и образованием значительного суммарного положительного заряда, что проявляется в виде резкого роста I VFB І в этой области полей (рис. 2.4). Величина критической напряженности электрического поля в исследуемом диэлектрике Е , соответствующая началу этого процесса зависит от толщины диэлектрического слоя следующим зо образом [44, 46]: Е = Q + C2/dox, где Сі и С2 - константы. Величина Сі определяется используемым типом электролита, величина С2 зависит от способа формирования структур (сорта диэлектрика). В случае структур Si-Si02 в описанной выше ЭДП-системе Сі = (7.6 ± 0.1) МВ/см; С2 = (75 ± 1) В.
Для определения положения центроида и области локализации захваченного в диэлектрических слоях заряда в работе использовался метод вольтемкостного профилирования, основанный на измерениях ВФХ при послойном стравливании окисла исследуемой структуры и построении зависимостей потенциала плоских зон от толщины окисного слоя VFB(dox) (рис. 2.5) [1, 47]. Данный метод оказался весьма важным для успешного решения задач данной работы, и поэтому мы рассмотрим его более подробно.
Для исходного состояния структуры при текущей толщине окисного слоя d, превышающей область локализации зарядов в диэлектрике, зависимость V FB(d) может быть записана [1, 47, 48] (рис. 2.5, кр, 1):
Пространственное распределение зарядов, образующихся в результате ИИ в структурах первого типа
В рамках данной работы особый интерес представляют пространственное распределение и характер дефектов, возникающих при имплантации, а также стимулированные вторичные явления, связанные с изменениями структуры твердотельной матрицы.
Дефекты являются результатом перераспределения электронов и атомных ядер вещества по энергетическим и пространственным координатам. Такое перераспределение начинается с первичного акта взаимодействия налетающего иона с электронами или ядрами мишени, в ходе которого некоторой точке передается некоторое количество энергии. Созданное первичное возбуждение можно представить либо как пару ["квазисвободный электрон + дырка в какой-либо электронной оболочке какого-то атома мишени"], либо как пару ["быстрый атом (или ион), выбитый из своего первоначального положения в мишени + незанятое место (вакансия)"] [58]. Дальнейшее взаимодействие с окружением приводит посредством вторичных процессов к размену энергии и образованию более низкоэнергетичных возбуждений, которые в итоге распределяются по всему объему мишени. Часть созданных вторичных возбуждений оказывается стабильной и проявляется в изменении макроскопических свойств облучаемого объекта.
В результате взаимодействия налетающих ионов (с энергией большей некой пороговой) с ядерной подсистемой мишени образуются первичные выбитые атомы (ПВА), которые в свою очередь (в зависимости от энергии) могут вызывать атомные нарушения. В результате вблизи траекторий иона формируются различные структурные дефекты (вакансии, дефекты Френкеля, оборванные связи, кластеры и т.д.).
Взаимодействие иона с электронной подсистемой сопровождается актом возбуждения или ионизации вещества. Релаксация его в равновесное состояние происходит за счет электрон-электронного или электрон-фононного взаимодействия и образования низкоэнергетичных электронных возбуждений. В случае безызлучательного распада низкоэнергетичных возбуждений освобождаемая энергия может выделяться либо в виде пакета фононов (малых смещений большого числа атомов), либо в виде большого смещения одного (в пределе) атома, т.е. образования структурного дефекта [58, 14]. Образование дефектов возможно в случае локализации электронного возбуждения в области одного атома, превышения накопленной атомом кинетической энергией некоторого порогового значения, а также превышения значением среднего времени жизни электронного возбуждения в узле периода колебания решетки [14, 58, 59, 60].
В случае используемых в данной работе структур Si-SiC 2, подвергнутых ионной имплантации, можно сказать следующее:
1. Форма распределения внедренных в Si-SiC 2 ионов Аг (130 кэВ в пленку 250 нм, 42кэВ-90нм), а также ионов Si (150 кэВ в пленку 800 нм) может быть описана гауссианом с положением в первых двух случаях посередине окисного слоя, в последнем случае на расстоянии 200 нм от внешней границы SiC 2.
2. Для энергии налетающего Аг 130 кэВ в момент соударения с матрицей Si02 потери энергии примерно в равной степени обусловлены потерями на электронную и атомную подсистемы, а для энергии 42 кэВ - в большей мере потерями на атомную подсистему.
3. В случае энергии налетающего кремния 150 кэВ в момент соударения с матицей Si02 потери энергии в большей степени обусловлены потерями на электронную подсистему. 3,2. Зарядовое состояние структур Si-Si02, подвергнутых имплантации ионами аргона.
В настоящем разделе будут рассмотрены два типа структур Si-SiC 2, подвергнутых имплантации ионами аргона, отличающиеся толщиной окисного слоя и энергией имплантации. Структуры с толщиной окисного слоя 250 нм мы будем в дальнейшем называть структурами 1 -типа, а с толщиной окисного слоя 90 нм - структурами 2-типа.
Изменение зарядового состояния структур Si-Si02 первого типа в результате ИИ.
Влияние ИИ на структуры первого типа приводило к изменению их зарядового состояния как в объеме окисного слоя, так и на границе Si-Si02. На рис. 3.1. приведены типичные высокочастотные вольт-фарадные характеристики структур первого типа, полученные до и после ИИ. Из рисунка видно, что процесс ИИ в объем окисного слоя приводил к значительному увеличению плотности поверхностных состояний (ПС), как это показано на рис. 3.2.
Изменения величины эффективного встроенного заряда в окисном слое носили немонотонный характер. Имплантация с минимальной дозой (10 см" ) приводила к образованию в окисном слое значительного положительного заряда величина которого заметно уменьшалась при увеличении дозы имплантации вплоть до формирования в структуре суммарного отрицательного заряда (около -3-Ю11 см"2 при дозе имплантации 105см"). Отметим, что немонотонный характер изменения эффективного заряда при увеличении дозы имплантации сохранялся и в структурах Si-SiC 2, подвергнутых БТО при различных температурах, как это видно из рис. 3.3. Немонотонное изменение суммарного эффективного заряда в структурах
Зарядовая компенсация в структурах Si-Si02, с толщиной окисного слоя менее 45 нм
Влияние электрического поля на структуры Si-Si02 с толщиной окисного слоя менее 45 им существенно отличается от ситуации, рассмотренной в предыдущих разделах данной главы.
На рис. 4.20 приведены результаты реализации метода полевых циклов на структурах Si-Si02, отличающихся только толщиной окисного слоя. Из рисунка видно, что, судя по результату, характер электронных процессов в окисном слое качественно схож в случае толщин окисного слоя более 50 нм. Переход к меньшей толщине окисного слоя приводит к существенному изменению характера электронных процессов, протекающих в объеме окисного слоя в области полей ЕЗ (рис. 4.21). Переход к области полей ЕЗ (для dox = 30 нм) приводит, как и при больших толщинах, к плавному увеличению VFB С постепенным выходом на «полку» (Еод. = (21 - 23) МВ/см). Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля в окисном слое структур Si-SiC 2 при полевом воздействии приводит к резкому росту абсолютной величины VFB сменяющемуся ее резким уменьшением до значений, меньших значений VFB в области «полки» (в ряде случаев даже меньших исходных значений VFB)- Такое поведение потенциала плоских зон в процессе полевого воздействия приводит к образованию на зависимости VFB(E0X) четко выраженного пика, локализованного в узком диапазоне напряженностей электрических полей. Полуширина этого пика на полувысоте составляет примерно 1 МВ/см. Необходимо отметить, что положение этого пика (максимум и его появление) зависит от толщины окисного слоя и смещается при ее уменьшении в область более высоких электрических полей (рис. 4.22). Анализ всего массива экспериментальньтх данных показал, что механизмы образования пика на зависимости VFB(E0X) имеют пороговый толщинно зависимый характер и подчиняются зависимости, аналогичной зависимости описывающей граничное значение поля, приводящего к развитию процесса ударной ионизации в объеме окисного слоя: Еп = Ci + Cn/dOX) где Сі = 7,6-106 В/см - константа, величина которой определяется только свойствами используемой системы ЭДП (определяется величиной потенциального барьера для электронов на границе 8Ю2-электролит); Сп = (51 ± 2) В - константа, величина которой определяется значением пороговой энергии, необходимой для развития процесса резко немонотонного изменения VFB- Сопоставляя данный процесс с процессом УИ и считая, что пороговая энергия развития процесса УИ составляет 9 эВ (ширина запрещенной зоны Egs 02), можно оценить величину пороговой энергии в нашем случае: Еп Cn,gSl02/C2 6 эВ (С 2 — коэффициент в выражении для УИ). Положение максимума на зависимости VFB(E0X) - Е0 также описывается зависимостью вида Е0 = Ci + C0/doX, где С0 = 55В. Явно выраженный максимум наблюдался на структурах Si-Si02, сформированных различными способами, включая различные способы создания заданной толщины окисного слоя: окисление до заданной толщины или окисление до большей толщины с последующим стравливанием до заданной толщины, и подвергнутых различным предварительным воздействиям (рис. 4.23). Аналогичное поведение зависимости VFB(EOX) наблюдалось и в случае структур Si:Ge-Si02 (рис. 4.24). В этом случае необходимо отметить смещение максимума пика в область более сильных электрических полей при увеличении концентрации германия в кремниевой подложке.
Полученные результаты, показывают, что в структурах Si-Si02 с толщиной окисного слоя менее 45 нм в области полей ЕЗ наряду с образованием суммарного положительного заряда, как и в случае структур с более толстым окислом, в узкой области электрических полей образуется дополнительный положительный заряд, который при увеличении напряженности электрического поля в окисном слое в процессе полевого воздействия либо исчезает, либо компенсируется образующимся отрицательным зарядом.
Предварительные внешние воздействия (ВУФ-облучение, полевые воздействия) на структуры Si-Si02 (dm 45 нм) не приводят к исчезновению максимума на зависимости VFB(E0X) (рис. 4.25 и рис. 4.26). Вместе с тем из рисунков видно, что изменение исходного зарядового состояния структур (во всех случаях в них формируется под влиянием предварительных воздействий суммарный положительный заряд) не приводит к изменению максимального значения VFB в области ЕЗ. Величина максимума зависит от технологии формирования структур и пропорциональна изменению потенциала плоских зон в области полей ЕЗ при Еох Еп (в области «полки») на исходных зависимостях VFB(E0X). Поскольку изменение VFB в этой области полей пропорционально исходной концентрации преддефектов в области МФГ S1-SiC 2, естественно предположить, что наблюдаемое пороговое увеличение VFB свидетельствует о формировании положительного заряда, также связанного с процессом трансформации преддефектных состояний в положительно заряженные ЭАЦ, Предварительные воздействия на структуру трансформируют часть преддефектов в положительно заряженные ЭАЦ, оставшаяся часть (возможно не полностью) превращается в положительный заряд в результате включения нового порогового механизма. При этом максимальная величина заряда, образующегося в структурах, составляет 10 см" . Приведенные рассуждения указывают на единую природу ЭАЦ ответственных за положительный заряд, образующийся под влиянием полевых воздействий и ВУФ-облучения, и заряда, образующегося в результате действия дополнительного порогового механизма. Таким образом, максимальная величина положительного заряда определяется технологией формирования структур, которая задает концентрацию ЭАЦ, способных трансформироваться в положительно заряженные центры, а подключение дополнительного
