Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время контакты металл - полупроводник и структуры на их основе нашли исключительно широкое применение в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Они участвуют практически во всех исследованиях физических свойств полупроводников. В одних случаях такие контакты являются активными элементами, определяющими полезные свойства полупроводникового прибора (например, диода, фотодиода или полевого транзистора с барьером Шоттки и т.п.), в других - пассивными, роль которых сводится к подведению электрического тока. Однако и в этом случае их влияние может быть существенным: так, например, они обусловливают рекомбинацию, шумы и т.п. Области применения контактов металл - полупроводник непрерывно расширяются. Такое обширное применение полупроводниковых приборов с барьером Шоттки в последние годы стало возможным, во-первых, в связи с развитием теории контакта металл-полупроводник, во-вторых, из-за совершенствования технологии получения неприжимных контактов металл-полупроводник.
Широкое применение контактов металл - полупроводник и полупроводниковых приборов на их основе вызывает необходимость поиска и исследования характеристик новых контактных систем, обладающих разнообразными функциональными свойствами. К числу перспективных металлов для создания эффективных барьеров Шоттки с кремнием р - типа проводимости относятся редкоземельные элементы (РЗЭ), имеющие малую величину работы выхода электронов и позволяющие реализовать в контакте с р - кремнием большие по величине потенциальные барьеры. С этой точки зрения данная система перспективна для физических исследований и практических приложений в связи с возможностью получения значительных по величине барьеров, обладающих высокой эффективностью. Однако к моменту постановки настоящей работы в литературе отсутствовали экспериментальные данные о значении высоты барьера Фь в системе кремний- редкоземельный металл (РЗМ) за исключением одной работы, в которой Фь«0,7 эВ получена для контакта р-кремния с иттербием, тербием и эрбием. Совершенно не нашли отражения в литературе физическая модель, фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных диодов (ПБД) на основе контакта редкоземельного элемента- кремний и сведения о возможности их практического использования.
Актуальной задачей полупроводниковой электроники является также улучшение параметров и характеристик полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем. Значительных успехов в этой области в последние годы удалось достичь вследствие применения новых материалов - тонкопленочных силицидов металлов. Пленки этих соединений перспективны для создания низкоомных контактов, поверхностно - барьерных диодов, электро-
дов затворов МДП - приборов, выполняемых по самосовмещаемой технологии, в интегральных схемах, межэлементных пленочных электрических соединений. Кроме этих, становящихся уже традиционными, областей применения, силициды могут послужить базовым материалом для новых, перспективных технологических процессов производства сверхбольших интегральных схем будущих поколений. Большие возможности открываются для процессов твердофазной эпитаксии с использованием слоев силицидов, ионной имплантации тугоплавких металлов через тонкие слои силицидов, применения силицидов в оптоэлектронных устройствах длительного хранения информации.
Силициды металлов, обладая высокой стабильностью, термической устойчивостью, хорошей адгезией к поверхности кремния, образуют тесный контакт металл-полупроводник с кремнием и характеризуются высокой стабильностью электрических характеристик. Однако, прогнозирование масштабов промышленного применения силицидов в микроэлектронике и их практическое использование в настоящее время представляет определённые трудности вследствие слабой изученности целого ряда их свойств, представляющих интерес.
Среди соединений кремния с металлами выделяются силициды редкоземельных металлов, которые образуют первую и окончательную дисилицид-ную фазу при весьма низких температурах (620-720 К) и формируют высокий барьер на/?-кремнии и низкий на кремнии n-типа проводимости. Низкие значения высоты барьера на контракте силицид РЗМ- кремний n-типа позволяют говорить о возможности использования этой системы в качестве омического контакта. Однако, систематическое исследование свойств тонкоплёночных силицидов РЗМ и барьеров Шоттки на основе контакта силицид РЗМ- кремний только ещё начато. Не исследована кинетика роста силицидов РЗМ. Не ясен механизм образования дисилицидов при такой низкой температуре. Крайне мало данных имеется и об электрофизических свойствах этих контактов. В частности, не исследованы влияние уменьшения высоты барьера на основе силицида РЗМ на величину контактного сопротивления, морфология поверхности и структурные особенности переходной области контакта кремний-силицид РЗМ.
В связи с этим целью данной работы является изучение электрофизических свойств контакта тонкопленочного редкоземельного элемента с кремнием, исследование электрофизических свойств тонкопленочных силицидов РЗМ и поверхностно - барьерных диодов на основе контакта РЗМ - кремний и силицид РЗМ - кремний.
Научная новизна работы. Важнейшими из новых научных результатов, полученных в диссертационной работе, являются следующие.
Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование )лектрофизических свойств контактов редкоземельный металл - кремний И :илицид редкоземельного металла - кремний и поверхностно - барьерных шодов на их основе.
Установлено, что свойства поверхностно - барьерных структур с крем-шем р - типа приводимости близки к идеальным барьерам Шоттки. Коэффи-шент идеальности для различных диодов Шоттки на основе контакта РЗМ - р кремний лежал в пределах n = 1,05 - 1,13, а величина плотности обратного -ока насыщения в темноте составляла 10"7 - 10'6 А/см2 при значении обратного тпряжения в 10 В. Показано, что к исследуемым контактам в области ком-ттных температур применима теория термоэлектронной эмиссии. Установ-іено, что высота потенциального барьера в ПБД для всех исследованных ред-;оземельных металлов практически совпадает между собой, не зависит от ра-іотьі выхода электронов из РЗМ и составляет 0,79 - 0,8 эВ. Показано, что в об-іасти контакта РЗМ - pSi ПБД существует переходной диэлектрический слой с
олщиной ~ 25 А и плотностью поверхностных состояний, лежащей в преде-ах от 3,9-10" до 1,Ы012эВисм-2.
Исследованы фотоэлектрические свойства ПБД на основе контакта РЗМ р - кремний при освещении их светом из области межзонного поглощения ремния в фотодиодном и вентильном режимах. Установлено, что предельные еличины. фотоЭДС холостого хода составляют 0,54 В для поверхностно -арьерных фотодиодов на основе контактов Gd -pSi и Lu -pSi. Показано, что пектральная чувствительность ПБД с различными РЗМ в вентильном режиме а длине волны 0,63 мкм лежит в пределах 0,15 - 0, 25 А/Вт, что соответствует начениям квантовой эффективности 30 - 50 %. В фотодиодном режиме при апряжении большем 1 В. значения спектральной чувствительности составля-)т 0,46 А/Вт и 0,3 А/Вт, а величины квантовой эффективности достигают ве-ичин равных 90 % и 60 % для диодов на основе контакта Gd - pSi и Dy - pSi эответственно.
Обнаружено, что поверхностно - барьерные структуры с РЗМ обладают ысокой эффективностью преобразования световой энергии в электрическую КПД, достигающим значения 9,3 %, при оптимальной величине нагрузочно-) сопротивления в 2 кОм, при этом коэффициент заполнения составляет 0,65.
Экспериментально установлено, что величина спектральной чувстви-:льности при освещении образцов на основе контакта Dy-pSi монохромати-гским излучением (А=0,63 мкм) с мощностью 0,25 мВт в области лавинного множення фотоносителей составляла 75 А/Вт, а коэффициент усиления фо-угока при обратном напряжении в ПО В равнялся 500. Для ПБД на основе
контактов Lu-pSi и Y-pSi достигнутые значения коэффициента умножения фо-, тотока составляли 1200 и 1000 соответственно. Установлено, что зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок в кремнии от напряжённости электрического поля в области (1,6-3,0)-105 В/см удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями Баррафа, при этом коэффициент ударной ионизации электронов почти на порядок превышает коэффициент ударной ионизации дырок.
Установлено, что формирование силицида РЗЭ происходит в единственной дисилицидной фазе при температурах выше 623-673 К. Методом рентге-ноструктурного анализа и Оже-электронной спектроскопии исследован фазовый состав образующихся силицидных плёнок РЗЭ. Показано, что плёночные дисилициды диспрозия, иттрия и гадолиния формируются со структурой типа a-GdSi2, а дисилицид лютеция имеет структуру А1В2.
Установлено, что на контакте дисилицида РЗМ с кремнием р-типа проводимости реализуются сравнительно большие величины потенциального барьера (0,73-0,75 эВ), которые практически одинаковы для силицидов различных РЗМ. Определены значения высоты потенциального барьера на контакте силицида РЗМ с п-кремнием (0,35-0,41 эВ). Экспериментально установлено, что величины спектральной фоточувствительности кремниевых фотодиодов с плёночными дисилицидами гадолиния и диспрозия на длине волны 0,63 мкм лежат в пределах 0,25-0,3 А/Вт. Показана перспективность использования тонкоплёночных силицидов РЗМ для создания поверхностно-барьерных приборов, омических контактов к п-кремнию, фоточувствительных элементов и межэлементных соединений в кремниевых приборах и интегральных схемах.
Практическая ценность. Результаты работы могут использоваться при разработке приборов с применением пленок редкоземельных металлов и силицидов редкоземельных металлов. Хорошие выпрямительные свойства контактов редкоземельный металл - р - кремний и силицид редкоземельного металла - р - кремний открывают возможности для создания на основе этих структур поверхностно - барьерных детекторов и диодов.
Высокие фотоэлектрические параметры поверхностно - барьерных диодов на основе контактов редкоземельный металл - р - кремний указывают на перспективность использования их в качестве высокочувствительных фотоприемников, в том числе обладающих внутренним усилением фототока, с коэффициентом лавинного умножения фототока, лежащем в пределах 1000 -1200. Малые величины потенциального барьера и контактного переходного сопротивления в структуре силицид РЗМ - nSi позволяют использовать их в качестве низкоомных контактов к кремнию п - типа проводимости и пленоч-
ных токоведущих соединительных дорожек между элементами интегральных схем.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования электрических свойств контактов кремний - редкоземельный металл и кремний - силицид редкоземельного металла.
-
Эффект лавинного умножения фототока в кремниевых поверхностно - барьерных диодах с контактом из редкоземельного металла.
-
Экспериментально - определённые величины высот потенциального барьера на контакте РЗМ - р - кремний и силицид РЗМ - р - кремний, равные 0,79 - 0,8 эВ и 0,73 - 0,75 эВ соответственно и их независимость от типа редкоземельного металла.
-
Механизм формирования плёнки дисилицида редкоземельного элемента на поверхности кремния в процессе его термообработки, состоящий в диффузии атомов кремния в плёнку РЗМ и твёрдотельной химической реакции между атомами кремния и РЗМ.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надёжности микроэлементов и микросхем" (г.Рязань, 1984г.), 8 Всесоюзном совещании "Физика поверхностных явлений в полупроводниках" (г.Киев, 1984г.), 9 Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (г.Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзной школе по актуальным вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ (г. Красноярск, 1989 г.), 5 Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (г. Саратов, 1990г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 12 статей и 6 тезисов докладов на научно - технических конференциях и семинарах.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка использованных источников из 148 наименований, содержит 39 рисунков, 19 таблиц. Общий обьем диссертации составляет 146 страниц.
