Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Инъекция электронов в Si02 и их перенос в сильном электрическом поле 11
I. Проводимость системы Si-Si02 -металл в сильных электрических полях 11 2. Особенности электролитического контакта. 14
3. Методика эксперимента.. 18
4--. Особенности проводимости системы Si-Si02-
электролит в сильных электрических ПОЛЯХ. 22 5. Ударная ионизация в структурах Si-Si02# 28 ГЛАВА II. Электролюминесценция в структурах Si-Si02. Механизмы возбуждения . . 38
1. Люминесцентные методы исследования струк тур Si-Si02 - . 38
2. Методика определения спектрального состава электролюминесценции системы Si-Si02
-электролит. . . г 42
3. Влияние интерферениции на спектр люминес-т
ценции тонких диэлектрических слоев 50.
4. Механизмы возбуждения электролюминесценции
в системе Si-Si02 ^-электролит. . . . . . '. 56
5. Взаимосвязь между механизмом возбуждения электролюминесценции и особенностями проводимости диэлектрика*. . . . . s.72
ГЛАВА III'. Электролюминесценция в структурах Si-Si02. Характеристики центров свечения 79
1. Зависимость интенсивности спектральных полос электролюминесценции от способа формирования структур Si-Si02 79
2'. Характеристики центров люминесценции в полосе 1,9 эВ. . 83
3;. Характеристики центров свечения в полосе 2,2 эВ. . . . ;. . 91
4, Характеристики центров люминесценции в полосе 2,7 эВ. 94
5;# Использование электролюминесценции для изучения процессов термического и анодного окисления кремния 101
ГЛАВА ІV. Использование электролюминесценции для изучения изменений свойств структур в сильных электрических ПОЛЯХ. '. . . . . 114
I Основные результаты исследования полевой деградации структур Si~Si02 (по лите ратурным данным) . 114
2. Изменение зарядового состояния структур Si-Si02 в сильных электрических полях. 117
3і. Изменение проводимости и спектра электролюминесценции Структур Si-SiOg в сильных
электрических ПОЛЯХ, .о 123
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ . ;. . 140
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ 143
- Проводимость системы Si-Si02 -металл в сильных электрических полях
- Люминесцентные методы исследования струк тур Si-Si02 -
- Зависимость интенсивности спектральных полос электролюминесценции от способа формирования структур Si-Si02
- Основные результаты исследования полевой деградации структур Si~Si02 (по лите ратурным данным)
Проводимость системы Si-Si02 -металл в сильных электрических полях
Инжекция и перенос электронов в слоях Si02 определяют характер проводимости и особенности ее поведения в сильных электрических полях. В настоящее время основные исследования проводимости структур Si-sio2 выполнены в системе Si-s±o2 -металл При этом установлено, что проводимость системы Si-si02-металл обусловлена инжекцией электронов в зону проводимости Si02 , лимитируется количеством носителей заряда, туннелирующих сквозь потенциальный барьер на инжектирующем контакте и описывается законом Фауяера-Нодгейма [з, 4J. В качестве инжектирующего электроны контакта может выступать как металл, так и полупроводник. При этом дефекты окисного слоя не являются.ограничивающим фактором вплоть до концентраций І0Лі см"43, модифицирующей структуру окисного слоя [ъ\. Поскольку высота потенциального барьера на границе s±o2 -металл велика (по данным работы [4J минимальная высота потенциального барьера составляет 2,4 эВ при использовании в качестве затвора Mg , максимальная - 4,2 эВ для затвора из Au ), то для достижения уровня инжекции, необходимого для регистрации вольт-амперной характерне тики {BAX), требуется создавать в окисном слое напряженность электрического поля 6-Ю МВ/см. В этом случае получаемая электроном от поля энергия между двумя электрон-фононными взаш о действиями может превышать максимальную энергию оптического фонона в двуокиси.: кремния "fcco =0,153 эВ, а столкновения электрона с двумя и более фононами маловероятны [б, 7, QJ . В результате будет происходить нарушение термодинамического равновесия между электронами проводимости и матрицей Si02 , сопровождающееся разогревом инжектированных в окисный слой электронов, энергия которых может значительно превышать кТ. Разогрев электронов проводимости, сопровождающий туннельную инжекцию электронов из кремния В SiOg , при напряженности электрического поля в окисле 8-Ю МВ/см был обнаружен экспериментально jF), путем измерения энергетического распределения ускоренных полем электронов, вылетавших в вакуум сквозь тонкий золотой электрод. В работе [э] показано, что максимальная энергия электронов в этом случае достигала 10 эВ« Наличие в окисном слое ускоренных полем электронов, энергия которых превышает ширину запрещеннойрзоны Si02 { 9 эВ по данным [ю]), может вызвать ударную ионизацию матрицы Si02 , что, в свою очередь, приведет к нестабильности тока, протекающего через образец, и последующему пробою [if] Описанное явление было обнаружено в системе Si si02-Ai при инжекции электронов из металлического контакта как возрастание величины тока при фиксированном напряжении l2, I3J. Наблюдаемое увеличение тока авторы объясняли увеличением напряженности электрического поля вблизи катода за счет положительного заряда малоподвижных дырок, образующихся в окисном слое вследствие ударной ионизации sio2. Итак, туннельный механизм инжекции электронов в si0o не -/3 разрывно связан с созданием в окисном слое сильного электрического поля, приводящего к разогреву инжектированных носителей токау При этом процесс взаимодействия разогретых электронов с матрицей Si02 способен оказывать влияние на процесс инжекции, изменяя распределение напряженности электрического поля по толщине окисного слоя» Следовательно, при изучении механизма инжекции электронов в Si02 и его особенностей необходимо учитывать влияние взашодействия инжектированных электронов с матрицей Si02 на сам процесс инжекции. Этим определяется научный интерес при исследовании механизмов такого взаимодействия.їїрак-тический интерес к этой проблеме обусловлен тем, что такое взаимодействие может быть ответственным за полевую нестабильность структур металл-окисел-полупроводник і4],
В опубликованных к настоящему времени работах, посвященных исследованию особенностей инжекции электронов в слои двуокиси кремния [15, 16» 17» I?]» рассматривается ряд факторов, которые могут привести к отклонению вольт-амперной характеристики системы Si-sio2 -металл от простейшей формы закона Фаулера-Нордгей-ма: квантование энергетических уровней в полупроводнике JjE5,I6j, поглощение и испускание фононов в процессе туннелирования скюзь потенциальный барьер l7J, неоднородность высоты потенциального барьера на границе окисел-катод по площади jjs]. Однако, в этих работах не рассматривается возможное обратное влияние разогрева инжектированных в окисный слой электронов на сам процесс инжекции.
Люминесцентные методы исследования струк тур Si-Si02
Электрофизические свойства структур Si-Si02 , от которых зависят параметры электронных приборов на их основе, в значительной степени определяются составом и строением окисного слоя. В частности, наличие в слое Si02 примесей и дефектов структуры, которые могут выступать в качестве центров проводимости, ловушек для электронов и дырок, поверхностных состояний на границе Si Si02 и т.п. приводит к возрастанию тока утечки затвора МОП-транзисторов и разбросу порогового напряжения открывания инверсионного канала. Изменение концентрации локализованных электронных состояний и их энергетического положения относительно разрешенных зон диэлектрика и полупроводника в процессе различных воздействий является одним из факторов, от которых зависит стабильность и надежность микроэлектронных приборов.
В связи с этим несомненный интерес представляет применение для исследования структур Si-Si02 люминесцентных методов, которые позволяют получить информацию о природе и количестве; дефектов и примесей, имеющихся в окисном слое, а также об изменении состава и строения окисного слоя в результате различных воздействий.
Люминесцентные методы обычно классифицируют по способу возбуждения люминесценции исследуемых образцов. Основными из этих методов являются облучение светом (фотолюминесценция).облучение быстрыми электронами (катодолюминесценция) и создание в образце сильного электрического поля (электролюминесценция).
Метод фотолюминесценции является наиболее информативным с точки зрения выяснения расположения энергетических уровней центров люминесценции, так как-позволяет измерять не только спектры излучения, но и спектры возбуждения свечения з5#3б,37] Существенный недостаток этого метода состоит в том,что в силу слабой эффективности фотовозбуждения он оказывается пригодным лишь для исследования относительно толстых образцов и не позволяет уверенно регистрировать фотолюминесценцию пленок SiOp толщиной 30 - 150 нм, которые представляют наибольший практический интерес.
Метод катодолюминесценции позволяет исследовать окисные слои на кремнии толщиной от нескольких десятков ангстрем Гзв] . Этот метод был успешно использован для исследования структур Si-Si02 Гз9,40#4і] и Si-SjUH, Г42] . Главным недостатком этого метода является то,что электроны с энергией в несколько КэВ, которыми облучают образец,не только возбуждают уже имеющиеся центры люминесценции,но и создают новые Гз8,зэ] » разрывая химические связи в матрице siOp
В спектрах фото- и катодолюминесценции кварцевых стекол и. структур Si-S±02 наблюдается ряд широких полос с энергиями 1,9 эВ, 2,2 эВ, 2,6 - 2,7 эВ и 4,3 - 4,4 эВ [35-4Ї] При этом в работах различных авторов сообщается о наблюдении разного набора спектральных полос при одном и том же способе возбуждения [j38,39j Взаимно-однозначное соответствие между спектральными полосами люминесценции и конкретным видом люминесцентных центров в настоящее время не установлено.
Зависимость интенсивности спектральных полос электролюминесценции от способа формирования структур Si-Si02
Состав и строение окисных слоев на кремнии определяется способом их формирования, т.е. технологией окисления и примене-. нием той или иной послеокислительной термообработки. В литера туре опубликованы данные, о типе, количестве и пространственном распределении структурных дефектов и примесей в слоях Si02 на кремнии, сформированных различными способами. Эти данные бы ли получены с помощью таких экспериментальных методов, как ИК-епектроскопия [77»78j , комбинационное рассеяние [79f80j масс-спектрометрия вторичных ионов [81,82] , спектроскопия Оже-электронов L81»83j » радиоизотопный метод [ 84j , электронный парамагнитный резонанс [85f86j и др. Сравни вая спектры электролюминесценции образцов, окисленных в различных условиях, можно проследить зависимость интенсивности какой-либо спектральной полосы от содержания того или иного типа дефектов и идентифицировать центры люминесценции с элементами структуры окисла.
При идентификации центров свечения по корреляции между содержанием каких-либо элементов структуры в окисном слое и интенсивностью характеристических полос электролюминесценции важно знать, монотонно ли зависит интенсивность спектральной полосы от концентрации соответствующих центров люминесценции. Интервал концентраций, в котором должен наблюдаться монотонный ход этой зависимости, можно оценить с помощью представлений о механизмах концентрационного тушения люминесценции, развитых в [87]
Возбужденный центр люминесценции может перейти в основное состояние как с испусканием фотона, так и без него. Конкурен цию между излучательными и безизлучательныш переходами харак теризуют квантовым выходом люминесценции, который имеет смысл числа фотонов, испущенный на каждый элементарный акт возбуж дения:
Основные результаты исследования полевой деградации структур Si~Si02 (по лите ратурным данным)
Известно,что наличие в окисном слое структур Si-Si02 электрического поля напряженностью порядка 10 МВ/см приводит к изменению потенциала плоских зон,увеличению плотности поверхностных состояний и ловушек на границе Si-Si02,a также к изменению проводимости окисного слоя [99 - III] .Поскольку такие изменения свойств структур Si-sio2 приводят к ухудшению надежности работы электронных приборов на их основе,в научной литературе они объединены под общим термином полевая деградаций. Опубликованные к настоящему времени экспериментальные работы по деградации структур Si-Si02 посвященя исследованию изменения их электрофизических характеристик,изменение люминесцентных свойств слоев Si02 на кремнии в этих работах не рассматривается.
В ряде работ отмечено,что поляризация в сильном электрическом поле сопровождается инжекцией носителей заряда в окисный слой,в связи с чем представляется существенным выяснить,какую роль играют в процессах изменения электрофизических свойств структур Si-Si02 собственно электрическое поле и вызванный им инжекционный ток.Для выяснения роли поля и тока были использованы два различных подхода.Первый из них [_II2j заключается в сравнении влияния на потенциал плоских зон и вольт-амперную характеристику фиксированного количества электричества,инжектированного в окисел при разных плотностях тока и,следовательно, при различной напряженности электрического поля в окисном слое. Ток и поле при этом не могут изменяться независимо,так как их соотношение определяется вольт-амперной характеристикой образца. При втором способе оценки роли поля и тока инжектируемым электронам сообщается дополнительная энергия от внешнего источника, поэтому ток и напряженность электрического поля в окисном слое могут изменяться независимо друг от друга.Для сообщения дополнительной энергии инжектируемым электронам были использованы электрическое поле в обедненной области кремния [99 J и облучение светом с достаточно высокой энергией фотона [lI3J .Согласно [99,112,II3J результаты применения описанных выше методов в системе Si-Si02 -металл свидетельствуют о том,что деградация структур Si-si02 в сильном электрическом поле обусловлена быстрыми электронами,проходящими сквозь окисный слой.При этом изменение какого-либо из электрофизических параметров (например, плотности ловушек на границе Si-Si02 ) определяется количеством протекшего электричества при небольших изменениях напряженности электрического поля в окисле и обнаруживают экспоненциальную зависимость от напряженности электрического поля при более значительных ее изменениях.
Большинство работ,посвященных полевой деградации структур Si-Si02 и опубликованных к настоящему времени,посвящены изменению свойств границы раздела окисел-кремний.В них установлено, что полевая деградация приводит к увеличению плотности поверхностных состояний,а также к изменению зарядового состояния оки-соного слоя вследствие накопления в нем положительного заряда вблизи границы Si-Si02 ГіОІ - III] .В то же время в Гюо] отмечается,что воздействие сильного электрического поля должно приводить шакже к увеличению сквозной проводимости окисного слоя, то есть к изменению его объемных свойств.
В процессах полевой деградации структур Si-Si02 существенную роль могут играть имеющиеся в окисном слое водородосодержа-щие комплексы,на что указывает различие деградационных свойств окислов,выращенных в сухом кислороде и в парах воды [пз] и характеризующихся различным содержанием Si-OH групп в окисле.Ос-вобождение и миграция атомов водорода в результате полевой деградации структур металл-окисел-полупроводник были обнаружены экспериментально путем масс-спектрометрического анализа исследуемых образцов Гну .При этом количество освобожденного в процессе полевой деградации водорода было пропорционально количеству протекшего через образец заряда.
