Электрофизические свойства кремниевых МПД-структур с оксидом самария и иттербия в качестве диэлектрика Трусова, Алла Юрьевна

Введение к работе

Актуальность темы

Развитие современной микроэлектроники в значительной степени определяется достижениями физики поверхности полупроводников и выдвигает перед этой областью науки целый ряд исключительно важных научных и практических задач. Микроминиатюризация полупроводниковых устройств, внедрение в производство планарной и пленочной технологии приборов вызвали необходимость разработки сложных полупроводниковых систем и исследования их свойств.

Сложные слоистые системы различного типа, в особенности системы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), приобрели в последнее время исключительную актуальность в связи с чрезвычайно широким их распространением в полупроводниковых приборах и физических исследованиях. Именно такие системы составляют основу почти всего современного полупроводникового приборостроения, в том числе и микроэлектроники. Специфические свойства этих систем уже сейчас позволили предложить и разработать целый ряд новых полупроводниковых приборов (полевые транзисторы с изолированным затвором, МДП-варикапы, фотоварикапы, приборы с зарядовой связью, элементы памяти, переключатели, логические устройства и др.)

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию МДП-систем, и значительные успехи, достигнутые в понимании их свойств, многие вопросы, связанные с работой этих структур, до конца еще не могут считаться решенными. По-прежнему главными задачами этой области физики являются выяснение механизмов доминирующих физических процессов, протекающих на поверхности и в области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, установление природы поверхностных электронных состояний, поиск и разработка новых систем диэлектрик-полупроводник, изыскание методов сознательного управления параметрами МДП-систем, дальнейшее выяснение возможностей их практического использования. Среди основных путей улучшения параметров МДП-приборов и элементов интегральных схем следует выделить получение высококачественной границы раздела полупроводника с диэлектрической пленкой, использование диэлектрических материалов с лучшими характеристиками, совершенствование методов нанесения диэлектрических пленок.

К числу перспективных диэлектрических материалов относятся оксиды редкоземельных элементов (ОРЗЭ), которые обладают большими значениями диэлектрической проницаемости, высокой электрической прочностью, химической и термической стойкостью, расширенными функциональными возможностями. К настоящему времени на основе этих материалов разработаны и изготовлены высокоэффективные МДП-варикапы, МДП-транзисторы, электрические и тепловые пере-

ключатели, элементы памяти, термостойкие и эффективные просветляющие покры тия для кремниевых фотоэлектрических приборов.

Однако, несмотря на значительные практические успехи в технологии МДП приборов с оксидами редкоземельных элементов (РЗЭ), многие фундаментальны! вопросы, связанные с физикой явлений в них, а также касающиеся физико^ химической природы их основных характеристик, до настоящего времени остаюто невыясненными. К числу таких проблем относится определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах, параметров и природь ловушек, являющихся центрами захвата носителей заряда, установление электрических и фотоэлектрических свойств МДП-структур с диэлектрическими пленками и: ОРЗЭ. Актуальность решения указанных проблем определяется как самой логикой развития знаний о свойствах пленок ОРЗЭ, так и требованиями практического использования этих пленок в различных устройствах, поскольку именно эти параметры определяют основные электронные параметры и характеристики МДП-приборов.

Целью настоящей работы является исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств кремниевых МДП-структур с оксидом самария и иттербия в качестве диэлектрика, изучение фундаментальных параметров МДП-систем, определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах, исследование качества границы раздела диэлектрик-полупроводник, определение параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях оксидов РЗЭ.

Научная новизна работы заключается прежде всего в том, что проведено комплексное экспериментальное исследование фундаментальных параметров кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия. Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик впервые определены высоты энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах А1-БпьОз (2.89-2,91 эВ), Si-Sm₂0₃ (2,70-2,72 эВ), Ni-Sm₂0₃ (3,29-3,33 эВ), Al-Yb₂0₃ (2,9-2,92 эВ), Si-Yb₂0₃ (3,18-3,21 эВ), Ni-Yb₂0₃ (3,3-3,32 эВ).

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облучения определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пленке. Установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика. Сечение захвата и плотность электронных ловушек в диэлектрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10"'⁹см² и 1,6-10¹²см"² соответственно.

Методом фотостимулированной деполяризации обнаружен пик фототока, который отсутствовал до заряжения диэлектрика. Показано, что электронные центры захвата располагаются вблизи середины запрещенной зоны диэлектрика, в пленке

Yb₂0₃ на расстоянии 2,4-2,7 эВ от дна зоны проводимости, в пленке БетьОз на расстоянии 2,25-2,6 эВ.

Установлены основные закономерности захвата заряда в диэлектрике при облучении структур как УФ-излучением, так и монохроматическим светом с энергией фотонов hv, меньшей ширины запрещенной зоны E_g при одновременном воздействии внешнего электрического поля. Знак захваченного заряда - отрицательный, а его величина увеличивается с ростом приложенного напряжения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения. Величина захваченного в диэлектрике эффективного заряда на порядок меньше заряда, прошедшего через структуру.

Впервые исследованы основные закономерности электрического пробоя диэлектрической пленки оксида самария в кремниевых МДП-структурах. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке при скорости роста пилообразного напряжения K_v=10-10⁵ В/с величина пробивной напряженности электрического поля линейно нарастает с увеличением логарифма скорости роста приложенного напряжения и пробой имеет кинетический характер, который связывается с накоплением критического заряда в приконтактной области диэлектрика. На втором участке при K_v>10⁶ В/с, величина поля пробоя не зависит от изменения скорости роста приложенного напряжения и пробой носит "критический" характер. Величина напряженности электрического поля пробоя на этом участке увеличивается с уменьшением толщины диэлектрика и площади верхнего электрода. Обнаружено уменьшение электрического поля пробоя с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики напряженности электрического поля пробоя уменьшается с увеличением скорости роста приложенного напряжения. Установлено, что время задержки пробоя при приложении к структуре прямоугольного ступенчатого напряжения экспоненциально уменьшается с возрастанием величины электрического поля и температуры. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида самария для области скорости роста пилообразного напряжения 10-Ю⁵ В/с. Показано, что развитие пробоя состоит из подготовительной стадии, связанной с накоплением в диэлектрике критического заряда, при превышении которого пробой переходит в быструю фазу собственного пробоя диэлектрика.

Положения, выносимые на защиту :

1. Результаты экспериментального исследования электрического пробоя в структуре с пленочным оксидом самария.

2. Энергетические параметры МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия, определенные методом внутренней фотоэмиссии электронов из металла и полупроводника в пленку диэлектрика.

3. Экспериментально установленные параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов самария и иттербия.

4. Закономерности и физическая модель накопления заряда в кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками S1TI2O3 и УЪ₂0}.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российской научно-технической конференции " Новые материалы и технологии" (Москва,1994 г.), 5 International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics (Leicester, England, 1995), Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997 г.), Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков (Санкт-Петербург, 1997 г.), The Dielectrics Society 28^lh Annual Conference Charges in Solid Dielectrics (Darwin College, University of Kent at Canterbury, England, 1997), IX Международной школе-семинаре Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ (Самара, 1997 г.) и опубликованы в 14 научных работах .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей и докладов и 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 173 наименований, содержит 80 рисунков, 17 таблиц. Общий объем диссертации составляет 177 стр.