Введение к работе
Актуальность темы
Наноэлектроника - стремительно развивающаяся область современной электроники, занимающаяся созданием приборов и микросхем с размером элементов менее ЮОим. Исследования в этой области направлены не только на разработку новых устройств с одноэлектропными принципами работы, но и на создание приборов, на основе уже существующих, например, за счет изменения свойств пленок и структур при введении в них нанокристаллов и нанокластеров.
Фундаментальный научный интерес в области наноэлектроники представляют
исследования по формированию объектов с размерами около нескольких нанометров и контролируемым распределением;
изучение квантовых свойств этих объектов, обусловленных ограничением в пространстве волновой функции;
- изучение свойств структур, содержащих нанообъекты.
Группа атомов в кластерной или кристаллической форме может проявлять квантовые свойства, обусловленные ограничением в пространстве волновых функций квазичастиц в твердом теле. Поскольку понятие квазичастиц оправдало себя для описания кристаллических полупроводников и других твердых тел, то рассмотрение их квантовой локализации в пределах наночастиц определенной структуры имеет существенное значение для дальнейшего продвижения научных моделей. Нанокристаллы и нанокластеры можно представить как макро-атомы, в которых энергетический спектр определяется квантованием не элементарных частиц, а многочастичных взаимодействий, адекватно описывающих объемные свойства совершенных кристаллов. Модели, основанные на таком подходе, отличаются простотой формулировок и решений.
На данный момент существует множество методов формирования нанокристаллов кремния в пленках. В случае диэлектрических пленок, таких как SiNx, SiOxi применяются различные радиационно-термические обработки при избыточном содержании кремния. Наиболее перспективным методом получения нанокристаллов Si в аморфных пленках кремния (a-Si) является эксимерный лазерный отжиг.
Изучение электрофизических свойств полупроводниковых нанообъектов, помещенных в диэлектрики, представляет научный интерес с точки зрения модификации свойств среды, по сути создания новых материалов на основе хорошо известных. Также, актуальным представляется изучение свойств отдельных нанокластеров и нанокристаллов в диэлектриках, поскольку
наночастицы электрически изолированы друг от друга. Таким образом, изучение наночастиц диэлектриках имеет фундаментальное научное значение.
Пленки с массивами нанокристаллов уже используются при создании приборов. Введеш нанокристаллов' Si в матрицу a-Si применяется в технологии изготовления тонкопленочны транзисторов, где они служат центрами кристаллизации при радиационно-термическн обработках. Ведутся разработки по созданию элементов памяти на основе МДП-структур нанокристаллами в пленках диэлектриков. Следует отметить, что кремний и в настоящее вре является основным материалом микроэлектроники, поэтому создание кремниевых нанокристалл в пленках a-Si, диэлектриках SiN*. SiOx и изучение свойств таких структур являет перспективным направлением с практической точки зрения. Это также связано с возможносты создания на их основе, как оптоэлектронных приборов, так и приборов микро- и нанозлектроникі работающих на основе квантовых явлений.
Цель исследования
Целью диссертационной работы являлось изучение особенностей формирован кремниевых нанокристаллов в пленках SiNx, SiOx и аморфного кремния, и исследование влиян нанокристаллов на электрофизические характеристики пленок. Для достижения данной цел решались следующие задачи:
-
Получение свидетельств формирования нанокристаллов кремния в аморфной фазе кремни кластеров кремния в пленках SiNx, SiO* и осуществление анализа их размера и фазово состава оптическими методами исследования.
-
Исследование влияния нанокристаллических включений кремния на электропроводно пленок аморфного кремния, ее температурную зависимость.
-
Анализ квантовых свойств нанокристаллов кремния, помещенных в более широкозонну матрицу, на основе решения уравнения Шредингера в приближении эффективной массы.
-
Поиск проявлений квантовых свойств нанокристаллов кремния, отражающихся н процессах электронного транспорта и процессах перезарядки электронных состояний пленках SiNx, SiOx.
Объектами исследования в диссертационной работе являлись пленки диэлектриков SiN SiO, и аморфного кремния, содержащие нанокластеры Si. В качестве основных методо исследования структур применялись измерения вольт-фарадных, вольт-амперных характеристик проводимости.
Научная новизна
1. Впервые проведено исследование электронных свойств пленок аморфного кремния нанокристаллами кремния, формирующихся при наносекундном лазерном воздействи
Обнаружено, что для нанокристаллов кремния размером 2нм с повышением их концентрации в пленках аморфного кремния наблюдается изменение механизма электропроводности с изменением эффективной энергии активации с 0.7 эВ до 0.12-0.17 эВ.
-
На основе представления нанокристаллов кремния, как многозарядных центров, имеющих дискретный спектр энергий, осуществлен расчет температурной зависимости уровня Ферми в аморфных пленках кремния с различной степенью легирования. Расчет продемонстрировал закрепление уровня Ферми на разрешенных состояниях, локализованных в нанокристаллах, при понижении температуры.
-
Обнаружен переход примесей фосфора и бора в электрически активное состояние при наносекундных лазерных обработках пленок аморфного кремния без плавления.
-
Выявлено существенное влияние наличия кластеров кремния в диэлектрике на дифференциальную емкость и проводимость МДП-структур в зависимости от частоты измерения, что связывается с обменом зарядом диэлектрической пленки с подложкой. Впервые наблюдалось резкое падение емкости до предела детектирования при освещении светом структур Al/SiNx/Si.
-
При азотной температуре наблюдалась ступенеобразная вольт-амперная характеристика МОП-струхтур с нанокристаллами кремния, количественно описанная одаоэлектронным туннелированием носителей заряда через квантовые уровни в нанокристаллах кремния.
Практическая значимость
-
Нанокристаллы кремния, формирующиеся при наносекундном лазерном воздействии в пленках аморфного кремния, могут служить зародышами при получении поликремниевых слоев при дальнейших радиационно-термических обработках, что может быть использовано для создания тонкопленочных транзисторов.
-
Активация примесей бора и фосфора в аморфном и кристаллическом кремнии при лазерном ультрафиолетовом воздействии позволяет формировать контакты и мелкие р-п переходы с глубиной легирования от 20нм до 400нм, равно как и управлять проводимостью пленок.
-
Экспериментальные результаты и их теоретическое описание, касающиеся одноэлектронного транспорта через квантовые состояния нанокристаллов кремния в диэлектрике МДП-структур, имеют перспективы быть использованными при создании одноэлектронных транзисторов и прецизионных электрометров на их основе.
Основные положения, выносимые на защиту
При импульсном лазерном воздействии ультрафиолетового излучения в пленках аморфного кремния формируются нанокристаллы кремния, происходит активация мелкой примеси и повышается электропроводность.
При наносекундной лазерной обработке атомы бора переходят в электрически активное, узельное состояние в кремнии без плавления и перераспределения, и формируются легированные слои р-типа малой толщины.
Обогащение диэлектрических пленок (SiN*. SiOx) кремнием в форме кластеров и нанокристаллов увеличивает их проводимость, что приводит к возможности обмена зарядом с подложкой и проявляется в существенной вариации дифференциальных емкости и проводимости в сравнении с классическими МДП-структурами.
Одноэлектронная зарядка нанокристалла кремния, стоящего в проводящей цепочке состояний в оксиде кремния блокирует рост тока, что приводит к ступенеобразной вольт-амперной характеристике МОП-структуры, проявляющейся при азотной температуре.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключался в постановке задач, проведении измерений и экспериментов, в анализе полученных результатов, в проведении теоретических расчетов, подготовке публикаций.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были представлены и обсуждены на Совещании «Кремний-2004» (Иркутск, 2004); «Российская конференция по физике полупроводников» (Екатеринбург, 2007); международных конференциях: «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2008); «Nanostructures: Physics and Technology», (Санкт-Петербург -2004, Владивосток -2008); «First International Workshop on Semiconductor Nanocrystals - SEMINANO» (Будапешт, 2005); «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2005); «Micro- and nanoelectronics - 2005» (Москва, 2005, 2007); «Gettering and Defect Engineering in Semiconductors Technology» - GADEST (Эриче, 2007).
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах (8 статей в научных журналах и 8 публикаций в материалах конференций).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из приложения, введения, 5-ти глав, основных результатов и заключения. Работа содержит 182 страницы, 47 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 78 наименований.
