Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время уделяется повышенное внимание изучению электронных свойств полупроводников с высоким уровнем легирования 1,2]. Прежде всего это связано с потребностями полупроводниковой электроники, идущей по пути создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) 131. Законы масштабной миниатюризации (scaling) диктуют необходимость увеличения уровня легирования активных областей приборов, составляющих СБИС. Так, концентрация примесей в подложке кремниевого полевого транзистора CSi МОП ГГО с длиной затвора < 1мкм должна составлять =; 10 см для ограничения влияния короткоканальных эффектов [41.
Лругое важное обстоятельство, послужившее толчком к интенсивному изучению транспортных и фотоэлектрических свойств слоев легированного слабокомпенсированного кремния, связано с созданием нового класса фотоприемников - структур с блокированной проводимостью по примесной зоне СВІВ-структур) [5], в фотопроводимости которых существенную роль играют процессы перезарядки примесей в поверхностном слое легированного Si при эффекте поля.
Взаимодействие примесей весьма существенно сказывается на транспортных свойствах полупроводников. Основным направлением исследований в этой области является изучение эффектов, связанных с проявлением локализации носителей заряда, типичным примером которой является переход металл-диэлектрик в примесных полупроводниках при уменьшениии концентрации легирующей примеси 6]. При этом остается до конца не выясненной структура нижней и, особенно, верхней, образованной D ~ или А + - состояниями мелких примесей, зон Хаббарда; практически не изучено влияние на нее внешнего
электрического поля и флуктуации потенциала, возникающих при изменении зарядового состояния примесей. К недостатку большинства работ, посвященных исследованиям проводимости по примесным зонам, можно отнести невозможность в ходе эксперимента менять соотношение между заполненными и пустыми состояниями в зоне. Исключением являются лишь исследования проводимости по двумерной примесной зоне, индуцированной ионами Na+ в инверсионном канале кремниевых МОП транзисторов [7]. Однако в этом случае плотность состояний в примесной зоне слабо зависит от степени ее заполнения, поскольку она определяется, главным образом, полями зарядов, хаотически расположенных в окисле. Иная картина должна наблюдаться при перезарядке примесей посредством эффекта поля в слоях легированных слабокомпенсированных полупроводников, структура примесных зон которых определяется корреляциями в распределении примесей [1]. Очевидно, что разрушение или возникновение таких корреляций при изменении заполнения состояний примесной зоны будет приводить к существенному изменению как структуры зоны, так и характера электронного переноса по ней.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование структуры и транспортных свойств примесной зоны легированного бором слабокомпенсированного кремния при контролируемом изменении заполнения примесных центров посредством эффекта поля.
В этой связи были поставлены и решены следующие задачи:
-разработан и реализован универсальный автоматизированный измерительный комплекс для исследования кинетических характеристик проводящих каналов на поверхности полупроводников в широком диапазоне экспериментальных условий;
-изучены особенности низкотемпературного переноса носителей
заряда в ионко-имплантированных слоях Si: В с высоким уровнем легявования;
-исследован механизм формирования области пространственного заряда в легированном слабокошенсированном полупроводнике при низкой температуре;
-выявлены факторы, определяющие энергию активации прыжковой проводимости при эффекте поля в слабокомпенсированном кремнии;
-определены природа а роль флуктуации потенциала в низкотемпературном эффекте поля;'
-проанализированы эффекты, определяющие низкотемпературный порог проводимости канала обогащения на поверхности кремния с высоким уровнем легирования.
Научная новизна. При обеднении поверхности слабокомпенсиро-ванного кремния основными носителями заряда обнаружен канал прыжковой проводимости, возникающий в области пересечения уровня легирующей примеси с уровнем Ферми и имеющий толщину порядка межпримесного расстояния. Механизм переноса по этому каналу принципиально отличается от известных механизмов переноса по трехмерным и двумерным примесным зонам тем, что энергия активации проводимости определяется электрическим полем области пространственного заряда и уменьшается с повышением уровня легирования полупроводника.
Показано, что эффект поля в примесной зоне ведет к ее ушире-нию, связанному с генерацией флуктуационного потенциала при ионизации легирующей примеси.
Обнаружен дополнительный порог проводимости дырочного канала обогащения, возникающий при низких С< 20Ю температурах и связанный с перезарядкой примесных А+- состояний.
Практическая ценность. Полученные сведения о характере фор- -мирования области пространственного заряда при низкой температуре, о новом меканизме прыжкового переноса, об" эволюции структуры примесной зоны и ее роли в кинетических характеристиках слоев легированного кремния важны при моделировании работы приборов, составляющих СБИС, особенно в области криогенных температур. Установленные закономерности прыжковой проводимости необходимо учитывать при создании ВІВ - структур, в которых проводимость по примесной зоне активного слоя определяет основные характеристики фотоприемников.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
При обеднении поверхности дырочного кремния основными, носителями заряда возникает дополнительный канал прыжкового переноса по акцепторным примесям с постоянной длиной прыжка. Канал формируется при пересечении уровня акцепторов с уровнем Ферми в переходной области, разделяющей ионизированные и нейтральные атомы примеси.
-
Энергия активации прыжковой проводимости по дополнительному каналу определяется электрическим полем области пространственного заряда, формируемой отрицательно заряженными 2 - комплексами; уменьшается с повышением уровня легирования полупроводника и существенно зависит от степени компенсации.
-
Эффект поля в примесной зоне слабокомпенсированного кремния ведет к ее уширению вследствие генерации флуктуационного потенциала при заполнении состояний легирующей примеси.
-
Появление дополнительного низкотемпературного порога проводимости дырочного канала обогащения обусловлено перезарядкой А+- состояний акцепторной примеси, причем величина порогового
напряжения определяется эффектом квантования дырочного газа.
. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на отраслевом семинаре "Физические процессы в элементах ИС" (Зеленоград, 1992), на I Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993D, на I Международной конференции "Physics of Low-Dimensional Structure" (Chernogolovka, 1993) и семинарах ИРЭ РАН.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Список трудов.приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Ее объем составляют 77 страниц текста, 15 рисунков и список литературы из 57 наименований.
