Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Эффект неравновесного обеднения (обзор литературы) 13
1.1. Сущность явления неравновесного обеднения. 13
1.2. Релаксация неравновесного обеднения при умеренных электрических полях 15
1.2.1. Большая плотность ПЗС 15
1.2.2. Малая плотность ПЭС 23
1.3. Термополевые процессы ускорения релаксации
при больших электрических полях 34
Выводы к главе 1 47
ГЛАВА II. Релаксация неравновесного обеднения на реальной и термически окисленной поверхности кремния 48
2.1. Введение 48
2.2. Методика исследований 50
2.3. Релаксация неравновесного обеднения на реальной поверхности кремния р-типа 56
2.3.1. Релаксация в начальный момент неравновесного обеднения 56
2.3.2. Релаксация, обусловленная туннельно-акти-вационными процессами 64
2.4. Релаксация неравновесного обеднения на
реальной поверхности кремния п-типа........ 72
2.5. Релаксация неравновесного обеднения на
термически окисленной поверхности кремния N-типа 77
2.6. Анализ релаксации неравновесного обеднения стр. при больших электрических полях на атомарно-чистой поверхности кремния 81
2.7. Выводы к главе II 85
ГЛАВА III. Релаксация неравновесного обеднения на легированной металлами поверхности кремния... 87
3.1. Введение 87
3.2. Методика легирования поверхности кремния металлами 89
3.3. Релаксация неравновесного обеднения на поверхности кремния, легированной золотом.... 90
3.4. Релаксация неравновесного обеднения на легированной цинком поверхности кремния.... 101
3.4.1. Поверхность, легированная по способу JPI.. 102
3.4.2. Поверхность, легированная по способу №2.. ПО
3.5. Выводы к главе III ИЗ
ГЛАВА ІV. Релаксация неравновесного обеднения на кремниевых ВДІ-структурах.^ 116
4.1. Введение 116
4.2. Методика исследований 118
4.3. Технология изготовления исследуемых ВДП-структур 121
4.4. Релаксация неравновесного обеднения на ЩЩ-структурах, изготовленных с применением хлорной технологии 123
4.5. Релаксация неравновесного обеднения на ВДП-структурах, полученных окислением в сухом кислороде 129
4.6. Релаксация неравновесного обеднения на стр. ВДП-структурах, облученных У- радиацией 134
4.7. Способ подавления релаксации емкости кремниевых ВДП-структур 139
4.7.1. Экспериментальные результаты 141
4.7.2. Природа процессов, приводящих к подавлению релаксации неравновесной емкости
4.8. Выводы к главе ІУ 150
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 152
ЛИТЕРАТУРА 156
- Сущность явления неравновесного обеднения.
- Релаксация неравновесного обеднения на реальной поверхности кремния р-типа 56
- Методика легирования поверхности кремния металлами
- Технология изготовления исследуемых ВДП-структур
Сущность явления неравновесного обеднения
Суть эффекта поля в следующем . Если смонтировать конденсатор,одной обкладкой которого будет полупроводник, другой - металл, разделенные, диэлектрической прокладкой, и приложить к нему напряжение, то вблизи поверхности полупроводника образуется объемный заряд, нейтрализующий заряд на металлической пластине. Изменяя напряжение, прилагаемое к конденсатору,можно изменять величину объемного заряда у поверхности. Изменение заряда в приповерхностной области приводит к изменению проводимости образца. Эффект изменения проводимости образца под действием электрического поля, приложенного к поверхности образца, и называется эффектом поля/1/.
Как было показано в многочисленных работах /2/, на поверхности полупроводника имеются поверхностные электронные состояния (ПЭС) Поэтому под действием внешнего электрического поля изменяется заряд не только в приповерхностной области полупроводника, но и в поверхностных состояниях. В случае установившегося равновесия между разрешенными зонами полупроводника и ПЭС эффект поля называется стационарным (равновесным). До установления такого равновесия после момента приложения поля проходит некоторое время, в ходе которого проводимость образца изменяется, и эффект поля является нестационарным (неравновесным). Измерение стационарного эффекта поля на полупроводниках проводилось в работах /3-5/, где были получены зависимости изменения проводимости образца от величины приложенного к конденсатору напряжения A zJ(v) . Эти зависимости можно было перестроить и в зависимости проводимости образца от величины общего индуцированного полем заряда емкость конденсатора образец - полевой электрод. В этих работах были получены кривые с минимумами, что хорошо согласовалось с теоретическими расчетами проведенными в /6/.На основании обработки экспериментальных кривых были определены такие параметры по-верхностных состояний как их энергетическое положение в запрещенной зоне и концентрация.
Изучение кинетики эффекта поля позволяет исследовать процессы обмена носителями между поверхностными уровнями и разрешенными зонами, определить времена релаксации поверхностных уровней Ts , а также сделать определенные выводы о природе и расположении поверхностных электронных состояний. Исследование кинетики эффекта поля иа е и позволило определить топографив"медленных" и "быстрых" поверхностных уровней /7/. В работах / 8-9/ получены данные об энергетическом положении поверхностных состояний и эффективном сечении захвата для электронов и дырок.
Особый интерес представляет исследование релаксации эффекта поля при обеднении образца на основные носители заряда /10-12/. Исследования амплитудных и релаксационных зависимостей эффекта поля на кремнии при больших обедняющих полях позволили понять физическую сущность неравновесного обеднения как явления и обнаружить ряд его новых особенностей /13-14/
Релаксация неравновесного обеднения на реальной поверхности кремния р-типа
Из приведенного выше обзора ясно, что релаксация неравновесного обеднения в общем случае сложное явление, которое может определяться различными механизмами, как то: изменением заряда в ПЭС, генерацией неосновных носителей через энергетические уровни на поверхности полупроводника и в обедненном слое объема, генерацией неосновных носителей в пограничных областях обедненного слоя, диффузией неосновных носителей из нейтрального объема в обедненную область, наконец, возникновением лавины в истощенном слое за счет ударной ионизации, а также туннелированием носителей заряда из ловушек в окисле в объем полупроводника. Реализация тех или иных механизмов релаксации определяется условиями эксперимента, а именно, величиной обедняющего поля, температурой , величиной начального поверхностного потенциала, плотностью ПХ на границе раздела полупроводник-окисел, наличием ловушек в последнем. При относительно небольших обедняющих полях релаксация неравновесного обеднения чаще всего обусловлена процессами тепловой эмиссии носителей из ПЭС в соответствующую разрешенную зону или процессами тепловой генерации электронно-дырочных пар.
При больших истощающих напряжениях скорость релаксации начинает зависеть от различных полевых и термополевых механизмов создания свободных носителей заряда /49,30/.
В работе /13/ было установлено, что на реальной поверхности кремния полевое ускорение релаксации неравновесного обеднения начинается уже при поле порядка І.І04 В/см, в то время, как возникновение лавины за счет ударной ионизации проявляется при полях больше ЗЛО5 В/см /36-38, 46, 49/. Одной из причин ускорения релаксации при полях меньших, чем поля, вызывающие лавину, может быть туннелирование носителей из ловушек окисла в полупроводник /35/. Однако следует учесть, что при таких же примерно полях наблюдается ускорение релаксации неравновесного обеднения на атомарно-чистой поверхности кремния, где слой окисла, а следовательно и туннелирующие ловушки отсутствуют /34/. Кроме того, в работе /46/ с туннельными процессами связывается ускорение релаксации, наблюдающееся при полях значительно больше тех полей, которые вызывают лавину.
Таким образом, механизм ускорения полем релаксации неравновесного обеднения оставался до постановки данной работы не достаточно ясным. Для того, чтобы выяснить этот механизм представлялось целесообразным исследовать релаксацию неравновесного обеднения при изменении условий на поверхности кремния, в частности, при варьировании плотности поверхностных электронных состояний.
Известно, что при термическом окислении плотность ПЭС существенно понижается, и ряд эффектов, связанных с поверхностными состояниями на окисленной поверхности трудно обнаружить и исследовать. Поэтому вначале работы мы решили выяснить в основном возможные мехнизмы ускорения релаксации неравновесного обеднения при сильных электрических полях на реальной поверхности кремния, которая покрыта тонким ( 30 А ) слоем естественного окисла. В дальнейшем представилось целесообразным провести исследование релаксации неравновесного обеднения при переходе от реальной к термически окисленной поверхности кремния, которая обычно используются в микроэлектронике. Это дало возможность проанализировать изменения, которые вносит окисление поверхности, при релаксации неравновесного обеднения.
Методика легирования поверхности кремния металлами
Металлами легировалась реальная поверхность образцов кремния р- типа. Приготовление таких образцов описывалось в методическом разделе главы II.
Легирование поверхности образцов золотом производилось путем обработки их в 48$ -ом растворе плавиковой кислоты (HF ), где концентрация соли JuCz варьировалась в пределах 5.10 -І.ІСГ4 моль/л. Время легирования составляло 2 мин, температура обработки 20С.
Как известно, на реальной поверхности кремния находится естественная пленка окисла толщиной порядка 30 А. Плавиковая кислота растворяет ее, поэтому легирование поверхности кремния из HF более эффективно, чем из воды, так как окисел не препятствует осаждению металла по всей поверхности образца. Так как золото обладает более положительным электрохимическим потенциалом, чем кремний /57/, ионы золота принимают электроны от валентных связей кремния и восстанавливаются , выделяясь на поверхности кремния в виде островков металла. Выделение металла сопровождается растворением кремния вокруг образующихся островков. Образующийся при этом рельеф поверхности довольно плавный и не оказывает существенного влияния на исследование эффекта поля /57/.
При легировании реальной поверхности кремния цинком, окисная пленка кремния преобразуется в пленку силиката цинка /55/. Легирование поверхности образцов цинком производилось путем обработки их либо в 1% водном растворе Хл г с рМ =7 в течение 30 мин ( обработка Ш)9 либо 1% водном растворе с рИ s 9 в течение 20 часов ( обработка №2). В обоих случаях образцы перед легированием обрабатывались 30 мин в кипящем бидистиллате с целью улучшения условий для образования на их поверхности поликристаллических силикатных пленок, рост кото рых контролировался эллипсометрически и электронографически. В случае обработки №1 образовывалась силикатная пленка толщи ной порядка 30 А, состоящая из смеси L%r\0-SiO /t,n(OH)z SkO HzO » a ПРИ обработке 2 - силикатная пленка толщи ной 60 А состоящая в основном из (ОИ) -Sc O? HZQ
Технология изготовления исследуемых ВДП-структур
Релаксация неравновесного обеднения исследовалась на ЩД-структурах, при изготовлении которых окисление кремния происходило в атмосфере сухого кислорода или с применением хлорной технологии. Кроме того, при получении ЬЩП-структур менялась температура окисления, а также материал полевого электрода. По этим технологическим операциям мы разделим исследуемые структуры на пять партий. Исходным материалом для изготовления ЩП-структур в перечисленных ниже партиях служили пластины кремния КЭФ-4,5, а используемой плоскостью была ( 100).
Первая партия. Вначале окисление кремния происходило в сухом кислороде в течение двух минут при температуре 900 С. Затем при 90(ГС окисление пластин проводилось в смеси влажного кислорода с 4$ ( объемными) трихлорэтилена в течение 150 мин. После окисления Ю мин проводился отжиг в сухом азоте. Охлаждение пластин происходило резко во время выгрузки в течение 5 мин Толщина окисла, полученного в этом случае, составляла 1200 А.
Из ВДП-структур этой партии 30% структур обнаруживали при комнатной температуре релаксацию неравновесного обеднения со временем меньше секунды. На остальных 70% ВДП-структур при комнатных и пониженных температурах релаксация неравновесного обеднения со временем не наблюдалась в течение минут.
Вторая партия. К данной партии относятся структуры первой партии, которые не имели быструю релаксацию неравновесного обеднения. Эти структуры облучались - радиацией, источником которой служил Со . После облучения ВДП-структуры показали релаксацию неравновесной емкости при комнатной температуре, которая и была исследована.
Третья партия. ВДП-структуры данной партии готовились так же, как структуры первой партии, однако, температура окисления кремния в данном случае была I100С, а не 900С. Примерно 70% таких структур обнаружили релаксацию неравновесного обеднения.
На всех ВДП-структурах, описанных выше, затвором служил алюминий,напыленный в вакууме. Диаметр полевого электрода составлял I мм .
Четвертая партия. В этом случае окисление кремния происходило в сухом кислороде при температуре 1100С в течение 160 мин.
Толщина окисла составляла 1300 А. Затвор изготовлялся осаждением поликремния толщиной 0,6 мкм, в который производилась диффузия фосфора при температуре 950 С в течение 20 мин. После диффузии фосфора проводилась фотолитография. Релаксация неравновесного обеднения с временами меньше одной секунды наблюдалась при комнатной температуре на 50% исследованных ВДП-структур.
Пятая партия. ВДП-структуры этой партии готовились так же, как и структуры четвертой партии. Отличительной особенностью этих структур был дополнительный отжиг в водороде, который проводился при температуре 400 СС в течение 40 мин. Из промеренных ЩЩ-структур данной партии 50$ структур при комнатной температуре показали быструю релаксацию неравновесного обеднения. Полевой электрод на Щ1-структурах 4 и 5 партиях, также имел форму круга диаметром I мыт.
