Фотоэдс-стимулирование анодного окисления полупроводников в плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

.(■!-) - I ",

• I \ : '

>■. г -

академия наук республики узбекистан отдел теплофизики

■л.. .11 'тш № а;.1* ьвгтткщуфчмшятшштшят* »и ищитемни—мшг—

На правах рукописи

ко со В Виктор Михайлович

ФОТОЭДШИМУЛИРОВАНИВ АНОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В ПЛАЗМЕ

01.04.07 — «Физика твердого тела»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ташкент—1991

Работа выполнена в Отделе теплофизики АН Республики Узбекистан. ^ ,

Научные руководители: — член-корреспондент АН СССР

Хабнбуллаев П- К-,

доктор физико-математических наук Алимов Д. Т.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук Оксенгендлер Б. Л.,

кандидат физико-математических наук Юлдашев Ш. У.

Ведущая организация — Таджикский Государственный

университет.

Защита состоится « » ¿¿¿Ля^х 1992 г. в • часов на заседании Специализированного ученого совета (Д. 015.22.01) при Отделе теплофизики АН Республики Узбекистан (700135, г. Ташкент, массив «Чиланзар», квартал «Ц», ул. Катартал, 28).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке АН Республики Узбекистан.

Автореферат разослан « » _ 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ.-мат. наук

М. А. КАСЫМДЖАНОВ

- з -

<■■■1 ' ; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛВОТ11

' '* ■ . '

"Актуальность исследований. Стоящие в микроэлектронике задачи изготовления ИС "на месте", специализации ио и ряд других стимулируют поиск новых технологий прямого формирования полупроводниковых структур с заданной топологией. В исследованиях,, выполненных ранее в рамках лазерной микрохимии, гетерогенные плазмохимичесгаш реакции в определенной степени игнорировались. В первую очередь это относится к реакциям, в которых пленка продукта реакции разделяет реагирующие фазы. Известные обзоры по лазерному стимулированию плазмохимических реакций не . затрагивает соответствующие процессы.

С точки зрения микроэлектронной технологии, фотохимии наибольший интерес представляют низкотемпературные процессы,

температура реагентов для которых не превышает 100 °С. Необходимым условием протегания гетерогенной плазмохимической реакции при таких температурах является стимулирование маосопе-реноса в пленке электрическим полем - плазменное анодирование - или радиацией. 1

Сильная зависимость скорости реакции плазменного анодирования от напряженности электрического поля в пленке продукта реакции указывает на естественный канал управления плазменным анодированием - фотоуправление электрическим потенциалом поверхности полупроводника - фотоЭДС канал. Сопутствующие изучению фотоэлектрического ганала исследования фотоэлектрических характеристик контакта "полупроводниковая структура-плазма тлеющего разряда" пополняют информацию об особенностях электронных свойств контакта. Последняя нашла ограниченное освеще-

ние в литературе.

Цель настоящей диссертационной работы: Исследование фото; УДС-канала управления решщией Анодного окисления полулровод-ни^эв в плазме. Дяя достижения поставленной цели решались две группы задач:

- исследование особенностей фотоэлектрических свойств контакта "полупроводник-плавма", а также возможности направленной модификации последних с точки зрения оптимизации фото-ЭДС-канала управления плазменным анодированием;

- изучение роли и эффективности фотоЭДС-стимулирования анодного окисления полупроводнишв в устойчивых и бистабильшд; электрохимических системах, сравнительное исследование жидкостного фотоанодирования.

В настоящей работе обладают научной новизной и выносятся на ващиту следующие результаты: 1. Результаты исследования особенностей электронных свойств контакта плазмы тлеющего разряда с анодно-поляризованными полупроводниковыми структурами:

- соотношение между изгибами зон на поверхности полупроводника в плазме и вакууме;

- зависимость фотоЭДО контакта от плотности тока через контакт и толщины разделяющей полупроводник и плазму пленки диэлектрика;

- вывод о том, лто изгиб вон на поверхности полуповод-ника контролируется перезарядкой медленных поверхностных состояний электронами плазмы;

- механизм образования S-образной ЕАХ контакта, осно^ ванный на перезарядке медленных поверхностных состояний полупроводника ялектронзми плазмы;

2. Результаты исследования роли и эффективности ФотоЭД>сти-мулирования при Фотоачодирспании полупроводников в плазме;

- вывод о том, что при плазменном фотсаноди-л* окислении яирокозонных п-полупроводников ФотоЭДС-стимулирование обладает наибольшей эффективностью;

- доминирование фотоЭДС-стимулирования в диапазоне толщин анодного окисла, определяемом длиной свободного пробега электронов в окисле и максимальной фотоЭДС в системе "тирокозошгай п-полупроводник-окисел-плазма";

- обнаружение существенного повышения ^Фиктивности фо-тоЭДЯ стимулирования в системах с элетарическими не-устойчивостями,

3. Нотоды повышения эффективности фотоэлектрического управления плазменным анодированием полупроводников: ионная бомбардировка контакта и использование металлического слоя, предотврадающого инхекцию плазменных электронов в растущую анодную пленку.

Научная и практическая ценность.

1. Полученная информация о поведении изгиба зон на поверхности полупроводника в газоразрядной плазме, процессах перезарядки медленных поверхностных состояний полупроводника горячими плазменными, электронами и роли названных процессов в формировании изгиба зон на контакте "полупроводниковая структура-плазма" позволяет правильно интерпретировать аффекты тостимулированин роакции плазменного анодирования, других гетерогенных илазмохимических реакций, шиючая нашедшее широкое применение плазыохимическое травление полупроводников. Указанная информация находит применение для целей диагностики гетерогенных плазмохимических процессов и анализа работы приборов, содержащих плазменный контакт.

2. 11а основе проведенных исследований разработаны защи щешшо авторскими свидетельствами способы лазерного управления локалышм окислением полупроводниковых материалов, а также контроля ва процессами травления, нанесения и виращианил слоев на поверхности полупроводников в плазме.

Апробация. Основные результаты настоящий работы докладывались на I Ш&союзнои конференции "Фотозлс.глричос1Сио явления в полупроводниках" С Ташкент, 1У00 г.), Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердим телом" (Москва, 1989 г.), Ill Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, l'JU'J г.), XIV Иездународной конференции во когерентной и иалинойной оптике (Ленинград, 1091 г.)

Пу^ликащш. Но материалам диссертации опубликовано 11 пе-чатннх работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит ив введения, четырех глав, eaiwimemra и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 112 страниц, включая 23 рисунка и список литературы, содержащий 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТИ

Во введении покавана актуальность темы диссертационной работы и выбор объектов исследования. Сформулирована цель исследования, резюмированы научная новизна и практическая ценность работы, основные положения, вьпюсимыо на защиту. Кратко изложено содержания материала по главам.

1_П?Е59ЙЛлаве диссертации, в первом параграфе представлен обзор, отражающий современное понимание процессов низкотемпературного окисления полупроводников в жидкости и плазме. Отражены основные эксперименты, оказавшие влияние на развитие технологии низкотемпературного окисления полупроводников." Рассмотрены место и роль вышеназванных процессов в лазорогра-' фии. Проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков жидкостного фотоанодирования и плазменного окисления полупроводников. Сделан вывод о необходимости исследования возможностей "сухого" фотоанодирования полупроводников.

Во втором параграфе главы рассмотрены работы, посвященные изучению электронных свойств контакта "полупроводниковая

структура-плазма тлеющего газового разряда Сделан вывод о необходимости дополнительного исследования электронных характеристик контакта с целью как экспериментальной проверки результатов ранее выполненных теоретических исследований, так и получения дополнительной информации, необходимой при анализе механизмов и оптимизации фотоэлектрического канала управления плазменным анодированием полупроводников.

Вторая глава диссертации посвящзна изучению особенностей электронных свойств полупроводниковое структур, контактирующих с плазмой тлеющего разряда.

В первом параграфе приводится методика экспериментов по фотоанодному окислению полупроводников. Описана и проанализирована корректность использовавшейся методики определения изгиба сон на поверхности анодируемого полупроводника по фотоЭДС -насыщения контакта "полупроводник-плазма".

В втором параграфе рассматривался связь изгиба зон на поверхности полупроводника (51, (ЗаДз, 5йР п-типа) с параметрами контакта "полупроводник-плазма тлеющего разряда". Показано, что изгиб вон на поверхности полупроводника в плазме меньше соответствующего значения в вакууме. При помещении полуировод-ншеа в плазму изгиб вон релаксирует к равновесному значению, в 2-10 раз меньшему соответствующего значения в вакууме. Описан обнаруженный эффект уменьшения изгиба зон, что эквивалентно положительному заряжению полупроводниковой поверхности, с увеличением потока электронов плазмы на полупроводник. Кинетика релаксации ФотоЭДС контакта при воздействии на полупроводник изменяющегося во времени электронного тока позволяет свя-

зать эволюции ивгиба soil на полупроводниковой поверхности и перезарядкой медленных поверхностных состояний полупроводника. Согласно измеренным зависимостям, спектр времен релаксации состояний простирается от долей секунд до десятков минут. Предложен механизм перезарядки медленных состояний, заключающийся в ударной ионизации их электронами. Приведены результаты опытов, в которых обнаружено сильное влияние кислорода на релаксацию изгиба зон, вызванную электронным облучением. На основе полученных опытных данных и оценок сделан вывод о том, что перезарядка медленных поверхностных состояний эадстронами плазмы является одним иа основных элементарных процессов, определяющих И8ГИ6 вон на поверхности полупроводника в плазме.

Третий параграф посвящен изучению фотоэлектрических характеристик системы "полупроводник-диэлектрик-плазма тлеющего разряда". Описан и обсуждается эффект роста (на порядок величины) фотоЭДС с увеличением толщины анодной пленки в диапазоне 5-25 нм. Такое поведение фотоЭДС объяснено изменением механизма переноса' ь окисле с баллистического на дрейфовый. 1икт смены виака заряжения поверхности структуры, стимулированной электронам, с ростом окисла в указанном диапазоне толщин позволил сделать вывод о том, что перезаряжаемые электронами мод ленные состояния залегают вблизи границы "полупроводник-окисел". Специальны),in опытами продемонстрировано, что эффект уменьшения изгиба вон на полупроводниковой поверхности вследствие увеличения интенсивности свечения прилегающей к подложке области плазмы существенен в области плотностей анодирующего тока, на порядок превышающей типичные для анодирования значо-

кия.

В четвертом параграфе исследуются электрические неустойчивости ь полупроводншсових структурах о плазменным контактом. Показано, что перезарядка медленных поверхностных состояний По.)}упроводника электронами плазмы индуцирует З-образнуш ВАХ контакта. Определен критерий возникновения неустойчивости, а Именно: дифференциальное сопротивление в рабочей точке на ВАХ Контакта "полупроводник-плазма" должно быть меньше максимального дифференциального сопротивления падающего участка на ва-Ьисимости изгиба зон полупроводника от плотности Totca. Ilaitaoa-но, что островковая металлическая пленка, увеличивая изгиб зон lia поверхности полупроводника на порядок величины, снижает граничное значение концентрации электронов в плазме, при котором- возникает неустойчивость, до величин характерных для мало

q 4f)

-мощного тлеющего разряда - 10 -10А см .

Рассмотрена неустойчивость, приводящая к S-образной ВАХ в системе "полупроводник-толстая анодная плешса-нлаэма". Неустойчивость возникает при превышении анодной пленкой (All) некоторой толщины, зависящей от полупроводника и теплового режима Подложки. В качестве механизма неустойчивости рассмотрены ра-вогроь анодной пленки электронами, приводящий в гальваностати -Ческом режиме анодирования к переключениям поля в пленке.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию фотоЭДОмеханизма стимулирования плазменного окисления по дупровсдниковых структур в устойчивых системах.

Первый параграф носит вводный характер. В нем экспериментально исследовано фотоЭДО-стимулироьшшо окисления полупро-

водников в электролитах и сделаны выводы о том, что стимулированное светом изменение изгиба зон способно привести к многократному ускорению скорости роста окисла при толщинах окисла до 100 нм. При дальнейшем роите окисла эффективность фохостиму.ш рования падает, что связывается с увеличением падения напряжения в анодной пленке, а также уменьшением фотоЗДО и системе. Обсуждаются опытные данные по фотоокислешш металлов, (л ни чается, что вследствии прозрачности собственного лила боиь шинства полупроводниковых материалов с видимом днапааоно облучения можно пренебречь прямым фогостинулированием массопорено са в АП.

Во втором параграф« обсуждается фотоади -мехашшм управ ленпн анодным окислением полупроводников в плавно. 15 опита« исследованы три варианта, использующих различные тины воебуж дения в зависимости ог длины волны излучения и толщины АП Приведены результаты опытов по анодному окислению полупроводников с различающимися типами проводимости, из которых следует, что в сравнении с другими 1саналами фотостнмулироиашы фо-тоЭДСЬ канал обладает наибольшей эффективностью, обеспечивая 2 кратное в максимуме стимулирование роста АП на широкезошшх п-полупроводниках. Установлено, что фотоЭДО канал управления доминирует в диапазоне толщин, определяемых длиной свободного пробега электронов в АН и максимальной фотоЭДО (сонтакта "полупроводник-АП-плазма". Неэффективность .¡ютоЭДС-канала в случае тонких АП объяснена на основе приведенных выше результатов исследований фотоЭДО в системе "полупроводник-АП-плаими".

Показано тшеже, что приписное возбуждение полупроводника

позволяет добиться удовлетворительного пространственного разрешения ва счет предотвращения расшшвания изображения вследс-твии диффузии фотодырок вдоль границы "полупроводник-окисел".

Четвертая глава посвящена описанию методов контроля толщину о кислых плевсда и повышения эффективности процессов фотоанодирования. разраЗоташшх автором на основе проведенных исследований.

В первом параграфе описан предложений автором метод контроля толщины окисннх слоев при выращивании или'послойном удалении окдоных слоев Е плазме. В основе его лежит измеренная автором зависимость фотоЭДС от толщины в системе "полупроводник- АП -плазма".

Во втором параграфе описан разработанный автором метод повышения эффективности фотостимулирования в результате ионной бомбардировки поверхности полупроводника, покрытого тонкой анодной пленкой. Метод основан на генерации электронных ловушек в окисле, что приводит к падению электронной подвижности, росту электрического поля в окисле и, соответственно, к увеличению фотоЭДС 1юнтакта, а с ним оелективности фотостимулирования процесса анодирования.

Третий параграф посвящен предложенному автором методу повышения эффективности фотоЭДС-стимулирования, основанному на формировании на поверхности полупроводника тонкого металлического покрытия, предотвращающего поступление в окисел электронов плазмы. Формирование ушзанного металлического слоя приводит к увеличению изгиба вон на поверхности анодируемого п-полупроводника на порядок величины. Соответственно на порядок

величины увеличивается и селективность фотоуправления анодированием. Отдельно проанализирован случай оотровгййого металлического покрытия.

В четвертом параграфе покаеано, что йядуцируя в системе "полупроводниковая структура- плаома" S-образггую ВАХ, можно добиться на порядки большей амплитуды фотопереилотепий' тога п системе, a с ней большей эффективности фотоЭДО-стипулЩ'юватга. Переключения тока в системе вызываются стимулированием неустойчивого по току состояния системы при генерации фотоЗДН в поверхностном слое полупроволншса.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы о роли и возможностях фотоЭДС канала стимулирования при плазменном фотоанодировании полупроводников:

1. Изгиб вон на поверхности полупроводника в плазме меньше соответствующего значения в вакууме и определяется процессами перезарядки медленых поверхностных состояний электронами плазмы.

2. Уменьшение изгиба вон на полупроводниковой поверхности вследствие перезарядки плазменными электронами упомянутых сос-' тояний приводит при достаточно высокой концентрации электронов в плазме к неустойчивости и S-образному виду ВАХ контакта "полупроводниковая структура-плазма". а также является причиной формирования S-образной ВАХ контакта в структуре "поЛупровод-ник-( диэлектрик) -островковая метаплическая пленка-плазнга".

3. Низкая, в сравнении с анодированием в электролитах, эффективность ФотоЭДС-стимулирования плазменного анодного окисления полупроводников имеет причиной отсутствие энергетического оаръора для инжектируемых ив плазмы электронов.

4. Для широковонных п-полупроводников фотоЭДС канал стимулирования обладает наибольшей эффективностью и доминирует в диапазоне толпин, определяемых длиной свободного пробега электронов в анодной окйсной пленке и максимальной фотоЭДС контача "полупроводник-окисел-йлазма".

Г>. Формирование на поверхности полупроводника тонкой пленки, предотвращающей инжекцйю электронов плазмы в полупроводник или анодную пленку приводит к резкому росту фотоЭДО контакта "полупроводник-окисел", а с ней селективности фотостимулирования до величин ~ 10 или выше.

6. Осуществление фотостимулировшшых переключений на неустойчивой 5-образной ВЛХ структуры "полупроводник-окисел-плазма" позволяет в несколько раз повысить ¡эффективность стимулирования.

7. Еводя путем бомбардировки ионами инертного Газа ловушки для электронов в анодную пленку и увеличивая Ч'аКЯм образом напряшгаость электрического поля в пленке, момчо управлять Фотоэлектрическими характеристиками контакта "полупроводник- диэлектрик- плазма", а с ними-селективностью фотоЭДС-стимулирования роста анодной пленки.

- 15 -

Результаты диссэртации опубликованы в работах:

1. Алимов Д. Т., Носов Е 11, Яковина В. Е Влияние электронов ■плаомы на изгиб вон на поверхности взаимодействующего с

плазмой гюлупроводншса//Матер. IX Всесоюзной конф. "Взаимодействие атомных частиц о твердым телом. М. , 1989. - Т. П. С. 44-45.

2. Алимов Д. Т. , Косов Е II, Яковина В. Е Способ кхжтроля толщины покрытия на полупроводниковой подложке.

Заявка N 4684178 от 20.04.89 г., положительное решение от 11.09.90 г.

3. Алимов Д. Т. , Косов В. 11 , Яковина Е Е Влияние электронов газоразрядной плазмы на фотоэлектрические свойства контактирующей с плазмой полупроводниковой структуры// Тез. I Всесоюзной конф. но фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ташкент 23-27 октября 1989 г. Талпсент: Фан. 1989. С. 96.

1. Косов Е 11 , Яковина В. В. Фотостимулировашшй рост прозрач ного окисла на поверхности полупроводника в плазме. // Тез. конф. Применение новейших достижений физики конденсирован них сред. Ташсент. 25-26 октябри 1989 г. Таиасент: ОТФ АН Уэ-ССР. 1989. С. 81-82. 5. Алимов Д. Т. , Журавский В. Л. , Косов Е М. ,. Тюгай Е К. Хаби оуллаев П. К Фотоионизащюнноо упразлзцие процессом окисления металлов//Препринт ИЯФ N Р 9-143. Ташкент. 19С4. 9 с.

6. Алимов Д. Т. , Косов В. М. , йсовина В. В. Способ получения рельефного покрытия на полупроводниковой подложке.

Заяшга N 4779083 от 25.11.89 г. , положительное решение от 29.01.91 г.

7. Алимов Д. Т., Косов Е М., Яковина В. В. Фотостимулирование окисления полупроводников в плазме//Тез. III Всесоюзной конф. "Применение лазеров в народном хозяйстве". Шатура Московская отл. 2-6 декабря 1999 г. Шатура: НИЦТЛАН." 1989. С. 112.

8. Косов В. М. , Яковина В. В. Способ формирования изображения. Заявка N 4868917 от 25.09.90 г. положительное решение от 19. 12. 91 г.

9. Косов В. И. , Пахаруков И, В., Якопина В. В. Способ формирования изображения. Заявка N 4907335 от Об. 12. 90 г.

10. Алиыов Д. Т. , Косов В. М. , Яковина В. В. Дазерография в системе "твердое тело-химически активная газоразрядная плазма". "Фотоэлектрический" канал управления//Тез. XIV международной конф. по когерентной и нелинейной оптике, Москва, 1991. Т. I , С. 64.

11. Алимов Д. Т. , Косов R М., Яковина В. В. "Сухая" фотоанодная микрообработка полупроводников в лазерографии. йиХОЫ, 1991, N 6, С. 145-143.

Г Подппслио к печати 21 ПМ г. Формат б\мзгм 00х8'11',0

Бума in писчая. Печать офсетная. Объем i. и. л Тираж i20 экз. Закал ,\j тъ

Огирчатапо » тщнлрзфни ТашПИ Ташкент, ул. Я. Колага, 10