Введение к работе
Актуальность темы. Структуры Si-SiOg и создаваемые на их основе МДП-структуры в настоящее время являются одним из основных элементов в технологии изготовления изделий полупроводниковой микроэлектроники. В настоящее время проведено широкое исследование электронных процессов в МДП структурах, созданных на основе термической двуокиси кремния Ш.
В последние годы в связи с созданием МДП-приборов на основе полупроводниковых Соединений типа А В и А В актуальной задачей является разработка низкотемпературных (100-400С) способов получения диэлектриков с малыми токами утечки, достаточно высокими пробивными полями и хорошей границей раздела полупроводник-диэлектрик.
Значительное количество работ было посвящено исследованию границ раздела полупроводник-диэлектрик с SiOg, полученной различными методами: осаждением из газовой фазы при атмосферном давлении, плазмохимическим осаждением и фотостимулированным осаждением. Вопросы, связанные с природой и механизмом электропроводности низкотемпературных слоев SiOg исследованы в меньшей степени. Авторы работ отмечают, главным образом, величину тока утечки без анализа механизма проводимости. Первые же исследования электропроводности низкотемпературных слоев SiOo показали, что эти слои имеют значительно более высокую проводимость, чем термический окисел и ВАХ НДП-структур имеют два характерных участка: 1)экспоненциальный рост тока с приложенным полем; 2) замедление роста тока и выход на насыщение [2,3]. Тенденция ВАХ МДП-структур к насыщению при обогащающих напряжениях наблюдалась также для низкотемпературных слоев SiOg, полученных другими методами, однако, механизм и природа насыщения тока оставались невыясненными. Кроме того, было показано, что при температуре 77 К низкотемпературные слои S10? имеют проводимость качественно и количественно совпадающую с обычной для термической SiOo проводимостью їаулера-Нордгейма [41. При температуре измерения выше 160 К проводимость слоев экспоненциально зависит от температуры с
энергией активации 0,65 эВ. Это дало основание авторам работ [5,61 сделать предположение об ионном механизме переноса и накопления заряда, однако прямых доказательств этого предположения приведено не было. Таким образом, невыясненными является вопросы, связанные с механизмом переноса и накопления заряда и природой проводимости низкотемпературных слоев SiOg.
Цельр настоящей работы является исследование природы и механизма транспорта заряда в слоях SiOg, полученных при низких температурах.
Основные задачи:
1.Уточнить зонную энергетическую диаграмму МДП-структуры с низкотемпературной двуокисью кремния.
2. Исследовать температурные и полевые зависимости сквозного тока. Установить механизм переноса и накопления заряда в МДП-структурах.
3.Исследовать природу проводимости низкотемпературных слоев SiOg.
4.Изучить электрофизические характеристики слоев SiOg, полученных различными методами.
Научная новизна.
1.Уточнена зонная энергетическая диаграмма МДП-структуры с низкотемпературной двуокисью кремния:
показано, что в объеме SiOg, полученной при низкой температуре, имеется большое количество локализованных состояний, расположенных вблизи середины запрещенной зоны диэлектрика;
установлено наличие переходного слоя окислов алюминия
в структурах с SiOg, содержащей воду и ОН-группы, который блокирует инжекцию носителей заряда из металла.
2.Установлено, что низкотемпературные слои Si02, полученные четырьмя различными методами имеют одинаковые закономерности в электропроводности. Полевые и температурные зависимости тока не зависят от материала подложки, полярности приложенного напряжения и материала металлического электрода.
3.Показано, что сквозной ток через слои SiOp и
накопление заряда в них достаточно хорошо описываются в рамках прыжкового механизма проводимости по локализованным состояниям, расположенным вблизи середины запрещенной зоны диэлектрика с плотностью состояний 1а см и шириной зоны состояний 0,8-1,0 эВ.
-
Впервые сделаны определенные выводы о знаке носителей, участвующих в переносе заряда в МДП-структурах с SiOp, полученной различными методами. Установлено, что в структурах с Si02, содержащей воду и ОН-группы с алюминиевым электродом, перенос заряда осуществляется носителями, инжектированными из полупроводника - электронами из зоны проводимости при "+" на металле и дырками из валентной зоны при "-" на металле. В МДП-структурах с золотым электродом, кроме того, имеет место встречный поток носителей заряда противоположного знака из диэлектрика в соответствующую зону полупроводника.
-
На основании экспериментальных данных сформулированы требования к модели локальных центров. Показано, что модели кремниевых и кислородных заряженных дефектных центров удовлетворяют всем основным требованиям модели локализованных состояний, обеспечивающих перенос заряда в диэлектрике, и могут быть предложены для объяснения природы проводимости слоев.
Основные положения, выносимые на защиту совпадают с перечнем научной новизны.
Практическая ценность работы.
1.Полученные в работе данные по проводимости и электрофизическим характеристикам слоев SiOg, ФСС и БФСС используются при контроле и оптимизации технологии осаждения низкотемпературных диэлектрических слоев.
2. Полученные данные о местоположении заряда в МДП структурах с низкотемпературными слоями SiOp, ФСС и БФСС и рекомендации по его снижению могут, быть полезны при разработке технологии изготовления полупроводниковых приборов.
3.Полученные экспериментальные результаты о наличии переходного слоя окислов алюминия в структурах с SiOp,
содержащей воду и ОН-группы необходимо учитывать при определении диэлектрической проницаемости слоев из емкостных измерений, а также при разработке МДП приборов и исследовании транспорта заряда.
Практическое использование результатов диссертации подтверждено актом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на V семинаре "Физическая химия поверхности монокристаллических полупроводников" (Владивосток, 1985), на VII и VIII Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов "Разработка и изготовление твердотельных изделий электронной техники" (Новосибирск, 1986 и 1987), на II Всесоюзном совеїдании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса, 1986), на IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (Новосибирск, 1988), на VI Республиканской научно-технической конференции "Физические проблемы МДП интегральной электроники" (Севастополь, 1990), на Всесоюзном совещании по физико-химическим методам исследования материалов микроэлектроники (Иркутск, 1990), а также на семинаре Отдела поверхностных явлений ИФП СО АН СССР.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 159 страниц, включая 49 рисунков на 40 страницах и список цитируемой литературы из 112 наименований на 12 страницах.
