Электретный эффект в структурах Si-SiO2 и Si-SiO2-Si3 N4 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор литературы.

§1.1 Строение и электрофизические свойства слоев SiC>2 и S13N4.

§1.2 Механизмы накопления и релаксации заряда в структурах

Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4.

§1.3 Поверхностные зарядовые состояния и электрически активные дефекты в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4.

§1.4 Исследование электретного эффекта в структурах Si-SiC>2 и

Si-Si02-S3N4.

§1.5 Возможность практического применения структур Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4 в качестве активных элементов субминиатюрных электретных микрофонов.

ГЛАВА II. Формирование электретных структур Si-Si02 и

Si-Si02-Si3N4.

§2.1 Технологические особенности изготовления структур Si-Si nSi-Si02-Si3N4.

§2.1.1 Получение слоев диоксида кремния термическим окислением кремниевой подложки.

§2.1.2 Плазмохимическое осаждение диоксида кремния.

§2.1.3 Пиролитическое осаждение нитрида кремния (силано

ТЭТ ТТЛ"

IVl^lIl IVAW хиду

§2.1.4 Получение слоев нитрида кремния ВЧ-реактивным магнетронным распылением кремниевой подложки.

§2.2 Формирование электретного состояния в исследуемых структурах.

§2.2.1 Электризация образцов: общие вопросы.

§2.2.2 Электризация образцов в коронном разряде.

§2.3 Изотермические исследования релаксации поверхностного потенциала.

§2.3.1 Оборудование для измерения поверхностного потенциала.

§2.3.2 Изотермические исследования релаксации потенциала электретных структур Si-Si02 и Si-SiO2-S13N4.

ГЛАВА III. Методика комплексных исследований физических процессов в электретных структурах Si-SiO2 и Si-Si02-Si3N4.

§3.1 Постановка задачи.

§3.2 Термоактивационная спектроскопия.

§3.2.1 Методы термоактивационной спектроскопии.

§3.2.2 Термодеполяризационный анализ.

§3.2.3 Методика обработки данных термоактивационной спектроскопии.

§3.2.4 Экспериментальное оборудование для исследования материалов методом термостимулированной релаксации потенциала.

§3.2.5 Обработка экспериментальных результатов термостимулированной спектроскопии.

§3.3 Исследование структур методом низкочастотного структурного внутреннего трения.

§3.3.1 Схема установки для исследования образцов методом внутреннего трения.

§3.3.2 Методика обработки экспериментальных данных ВТ

§3.4 СК-характеристики: общая методика.

§3.4.1 Обогащенный, обедненный и инверсный слои.

§3.4.2 Вольт-фарадная характеристика МДП-структуры.

§3.4.3 Оценка параметров инжектированного заряда методом

С ^-характеристик.

§3.4.4 Описание экспериментальной автоматизированной установки емкостной спектроскопии.

§3.5 Исследование слоев исследуемых структур методом ИК

Фурье спектроскопии.

§3.5.1 Основные положения ИК-спектроскопии.

§3.5.2 Описание экспериментальной установки ИКспектроскопии.

§3.6 Подготовка образцов для исследований методами, используемыми в работе.

ГЛАВА IV. Экспериментальные результаты и их анализ.

§4.1 Анализ ИК-спектров слоев исследуемых образцов.

§4.1.1 Спектры поглощения слоев Si02.ЮЗ

§4.1.2 Спектры поглощения слоев SzjjV^.

§4.1.3 Влияние инжектированного заряда на ИК-спектры поглощения слоев.

§4.2 Анализ СF-характеристик электризованных образцов.

§4.3 Анализ экспериментальных результатов ТСРП.

§4.3.1 Энергетическое распределение ЭАД в структурах

Si-Si02.П

§4.3.2 Энергетическое распределение ЭАД в структурах

Si-Si02-Si3N4.

§4.4 Результаты исследования образцов методом ВТ.

§4.4.1 Анализ ВТ в неэлектризованных образцах.

§4.4.2 Анализ ВТ в электризованных образцах.

§4.4.2.1 Структура Si-Si02.

§4.4.2.2 Структура Si-Si02-Si3N4.

§4.4.3 Оценка электрофизических параметров релаксационных процессов в электризованных структурах по температурным зависимостям ВТ.

§4.4.4 Новая методика исследования электретных структур, основанная на методе ВТ.

§4.5 Физическая модель формирования и релаксации заряда в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4.

ГЛАВА V. Факторы, увеличивающие стабильность электретного состояния в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4.

§5.1 Влияние влажности воздуха на стабильность поверхностного потенциала электретов.

§5.2 Исследование электретных структур Si-Si02 и S1-S1O2-S13N4 в условиях повышенной влажности.

§5.3 Модификация свободной поверхности образцов гидрофобизирующими покрытиями.

§5.3.1 Модификация кремнийорганическими соединениями.

§5.3.2 Модификация поверхности с помощью пленок полиимида, нанесенных методом Ленгмюра-Блоджетт.

§5.3.3 Зависимость поверхностной проводимости образцов от относительной влажности воздуха.

§5.3.4 Влияние исследуемых гидрофобизаторов на релаксацию заряда в условиях повышенной влажности.

§5.3.5 Оценка электрофизических параметров электретных структур Si-Si02-TM.

§5.4 Термообработка структур в вакууме.

§5.4.1 Исследование влияния предварительной термообработки образцов на стабильность электретного эффекта.

§5.4.2 Анализ влияние отжига наИК-спектры поглощения слоев Si02 и S13N4.

§5.4.3 Анализ влияния термообработки на параметры центров захвата носителей заряда.

Благоприятное сочетание механических, химических и электрических свойств материалов в последнее время способствовало широким исследованиям системы S1O2 и SiiN^SiOz на кремниевой подложке.

Актуальность исследований особенно усилилась с развитием, начиная с середины 80-х годов, нового направления - микросистемной техники (,micromachining). При этом возник повышенный интерес к разработкам и созданию электретных субминиатюрных сенсоров и актюаторов (электрет-ные микрофоны, датчики давления, микронасосы и др.), использующих в качестве активных элементов, электреты из диоксида и нитрида кремния, изготовленных по стандартным "кремниевым" технологиям, а также композиций на их основе. Основными физическими требованиями для электретных материалов при создании микроэлектронных приборов являются временная стабильность электрического поля, создаваемого электретами и устойчивость характеристик к воздействиям окружающей среды при различных условиях эксплуатации.

Сравнительно недавно было показано, что эти материалы по своим электретным характеристикам не уступают традиционным электретам из полимеров. За последние несколько лет только в европейской базе данных патентов нами было обнаружено более 100 патентов микромехапичееккх устройств, использующих электретный эффект в структурах, исследуемых в данной работе. Несмотря на большой объем исследований пленок диоксида и нитрида кремния, механизмы, протекающие в них - электронные и ионные процессы при их электризованном состоянии, до сегодняшнего времени оставались в значительной степени неизученным.

Это вызвано, в первую очередь, отсутствием комплексных исследований, выполненных различными современными методами. Результаты исследований, как правило, носили описательный характер и ограничивались

-7в значительной степени экспериментами по разрядке электретных структур. Более того, основная часть исследований выполнялась за рубежом.

Знание физики процессов формирования и релаксации электретного состояния и зависимости природы центров захвата носителей заряда от технологии изготовления слоев открывает возможности прогнозирования и целенаправленного изменения функциональных электретных свойств данных материалов при их практическом применении в микроэлектронике.

Целью данной работы являлось определение природы физических процессов в электретных структурах, создание физической количественной модели образования и релаксации электретного эффекта при определении ее основных параметров, выявление технологических факторов для создания стабильных электретов, как на основе Si-Si02, так и на основе двухслойных структур с использованием нитрида кремния.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• испытание полученных структур в рамках комплексного подхода, включающего в себя ряд традиционных методик исследования релаксационных процессов в диэлектрических структурах, такие как ИК-спектроскопия, метод изотермической релаксации потенциала, термоакти-вационная спектроскопия, измерение CF-характеристик и др.;

• разработка новой методики исследования релаксационных процессов в электретных структурах на основе метода низкочастотного структурного внутреннего трения (ВТ);

• обоснование методов, позволяющих увеличить стабильность электретного эффекта в структурах Si-SiOn и Si-SiOi-ShN^.

Личный вклад автора работы в получении научных результатов состоит в следующем:

• сформулирована физическая инжекционно-дрейфовая модель формирования и релаксации электретного эффекта в структурах Si-Si02 и Si-SiOi-1S/3./V4, дана ее количественная оценка;

• обоснованы оптимальные технологические режимы формирования электретных слоев структур Si-Si02 и Si-SiOj-SisN^ при использовании стандартных "кремниевых" технологий;

• разработан комплексный метод исследования для определения физических процессов в электретных структурах на основе слоев диоксида и нитрида кремния;

• определены природа и электрофизические параметры центров захвата носителей заряда, выявлено влияние инжектированного в процессе электризации заряда на примесные водородсодержащие центры в структурах Si-Si02 и Si-Si02-SiiN4;

• установлены характерные особенности энергетических спектров электронных локализованных состояний в структурах Si-SiOi и Si-SiOx-Si^N^ полученных с использованием различных технологий;

• разработана новая методика, позволяющая использовать метод низкочастотного внутреннего трения в качестве информативного инструмента для исследования релаксации заряда в электретных структурах;

• исследованы и обоснованы способы, повышающие стабильность электретного эффекта путем модификации свободной поверхности гидрофобизирующими покрытиями на основе нанослоевых пленок полиимида и путем предварительной термообработки образцов в вакууме перед их электризацией.

Практическая значимость и ценность результатов состоит в следующем:

• выявлены оптимальные режимы синтеза электретных слоев диоксида и нитрида кремния, а также способы электризации структур Si-SiO2 и Si-SiOi-ShN* для их практического применения в качестве активных элементов электретных сенсоров и актюаторов;

• разработан комплексный метод исследования для определения основных электрофизических параметров электретных структур на основе слоев диоксида и нитрида кремния;

• экспериментально и теоретически обоснованы способы гидрофоби-зации поверхности покрытиями на основе пленок полиимида;

• установлены факторы, улучшающие электретные характеристики и даны практические рекомендации по их применению для получения стабильных электретов на основе структур Si-SiOi и Si-Si02-ShN4.

Научные положения, выносимые на защиту:

Положение 1: Стабильность электретного состояния структуры Si-&'<92-полиимид увеличивается не только путем гидрофобизации поверхности, но и путем формирования дополнительных глубоких центров захвата, как для отрицательного, так и для положительного заряда;

Публикации положения 1:

• Голоудина С.И., Закржевский В.И., Козодаев Д.А. и др. Полиимидные нанослоевые композиции, как стабилизирующие покрытия микроэлектронных структур // Петербургский журнал электроники. - СПб, №4, 2001, с.79-86.

• Козодаев ДА., Пасюта В.М. Применение пленок Ленгмюра-Блоджетт полиимидов для увеличения стабильности электретного эффекта в SiOi И Тез. докл. 4-й научн. молодежной школы. "Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа". - СПб, 2001, с. 38.

Положение 2: Разработанная методика, основанная на измерении частотно-температурной зависимости внутреннего трения при анализе динамических процессов миграции заряда в объеме образца, позволяет определить физические процессы, сопровождающие захват и высвобождение заряда с центров захвата в электретных структурах на основе слоев диоксида и нитрида кремния.

Публикации положения 2:

• Гороховатский Ю.А., Закржевский В.И., Козодаев Д.А., и др. Комплексный подход для исследования релаксационных процессов в структурах Si-SiOi и SiOi-Si^Ni, // Тез. докл. Всерос. научн. конф. "Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002". - СПб, 2002, с. 216-218.

• Андреев Ю.Н., Козодаев Д.А., Лучинин В.В. и др. Новая методика исследования релаксации заряда в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si}N4 методом низкочастотного внутреннего трения. // Тез. докл. II Всерос. конф. по физической электронике "ФЭ-2001". - Махачкала, 2001.

Положение 3: Увеличение стабильности в структуре Si-Si02-SisN4 (Л'зЛ^ получен ВЧ-реактивным магнетронным распылением) после термообработки ее в вакууме перед электризацией вызвано появлением в слое нитрида кремния дополнительных ЦЗ (Si-H групп), образованных в результате перераспределения водорода из слоя SiC>2 в слой S13N4.

Публикации положения 3: • Гороховатский Ю.А., Закржевский В.И., Козодаев Д.А., и др. Комплексный подход для исследования релаксационных процессов в структурах Si-Si02 и Si02-ShN4 И Тез. докл. Всерос. научн. конф. "Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002". - СПб, 2002, с. 216-218.

Аргументация и критическая оценка по сравнению с известными решениями.

Сформулированная физическая модель формирования и релаксации электретного состояния в исследуемых материалах дает количественную оценку параметров релаксационных процессов в отличие от качественных, феноменологических моделей электретного эффекта [4,8,9,11,36,38,42,71,88].

Примененный в данной работе комплексный подход для исследования электретного эффекта в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4 отличается своей полнотой полученных научных результатов при определении физических процессов по сравнению с предыдущими исследованиями [26,32,34,35,42,46].

Разряботянная новяя методика исследования петтякпятшонных процессов в электретных структурах на основе метода внутреннего трения дает дополнительную информацию о физике процессов по сравнению с термоактивационной спектроскопией [15, 41,109,130].

Модификация свободной поверхности пленками полиимида (ПИ) дает наилучшие электретные характеристики структур Si-Si02, по сравнению с электретами гидрофобизированными, в частности, кремнийорганическими соединениями [34,46,39,40,43,46].

Проведенные исследования электретных структур, модифицированных пленками ПИ, дают хороший прогноз для их практического применения в микроэлектронике, по сравнению с существующими решениями [54-58,6366,69,73,74].

Выявлен и обоснован факт захвата носителей заряда водородсодержащими комплексами в процессе электризации с использованием коронного разряда, подтверждены модели, опубликованные в работах [1,2,30,97,126-128], в которых рассматривался процесс захвата носителей при инжекции электронов в объем образца.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97" (СПб, 1997), на научной молодежной школе по твердотельным датчикам (СПб, 1998 г.), на Международном симпозиуме по электретам "ISE 10" (Греция, Дельфы, 1999 г.), на 4-й научной молодежной школы "Наноматериалы, нанотехнологии, наноструктуры и методы их анализа" (СПб, 2001), на 2-й Всероссийской конференции по физической электронике "ФЭ-2001" (Махачкала, 2001), на Всероссийской конференции "Температуро-устойчивые функциональные покрытия" (Тула, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и нано- электроника" (Звенигород, 2001), на Всероссийской научной конференции "Физика полупроводников и полуметаллов ФПП-2002" (СПб, 2002).

Хотелось бы отметить вклад соавторов при получении научных результатов: Гороховатский Ю.А., Мошников В.А., Закржевский В.И., Яро-славцев Н.П., Лучинин В.В., Соколова И.М. - консультации по обработке экспериментального материала, Кудрявцев В.В., Склизкова В.П. - синтез полиимида, Голоудина С.И., Пасюта В.М. - нанесение пленок полиимида, Сазанов А.П. - нанесение пленок Si02 плазмохимическим осаждением, Темнов Д.А. - помощь в проведении экспериментов по термо-активационной спектроскопии, Андреев Ю.Н. - помощь в проведении экспериментов по внутреннему трению. Автор работы благодарит директора ЦМИДа СПбГЭТУ Лучинина В.В. за предоставление экспериментальной базы для получения слоев диоксида и нитрида кремния.

Результаты исследования влияния относительной влажности (более 95%) на стабильность поверхностного потенциала образцов SiOi, подвергнутых пассивации, приведены на рис.5.9. При этом образцы заряжались в отрицательной короне до начального потенциала -300В и помещались в замкнутый объем с повышенной влажностью, откуда периодически извлекались для контроля величины l/э. Для сравнения на рисунке представлены результаты для ПТФЭ.

Как следует из представленных результатов, наилучший результат также достигается для структур SiOi-ПИ. При этом в целом, характер представленных зависимостей свидетельствует о перколяционном характере процесса. Качественное, а в ряде случаев, и количественное описание спада в условиях повышенной относительной влажности, получено в рамках пер-коляционной модели [152]. Согласно этой модели разрядка электретов происходит в случае возникновения на поверхности образца бесконечно проводящего кластера, образующегося в результате постепенного разрастания водных капель (зародышей), конденсирующихся на поверхности. и/и0 1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0 10 20 30 40 50 60 t, сут.

Рис.5.8 Изотермическая релаксация поверхностного потенциала внормальных лабораторных условиях гидрофобизированных отрицательно заряженных ([/„=-300 В) образцов Si-Si02:1- &'-&'02(ТО)-ПИ; 2 - Si-Si02(ТО)-ГМДС; 3 - Si-Si02(ТО)-ДМДХС; 4 - Si-Si02(ТО) (негидрофоб.) и/и0 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0

0 10 20 30 40 50 60 t, сут.

Рис.5.9 Изотермическая релаксация поверхностного потенциала в условиях повышенной влажности (W= 95±3 %) отрицательно заряженных (£УД=-300В) гидрофобизированных образцов Si-Si02: 1- 5г-&'02(ТО)-ПИ; 2 - Si-SiO 2(ТО)~ ДМДХС; 3 - 67-5г02(ТО)-ДМДХС; 4 - ПТФЭ; 5 - Si-SiO 2-Si3N4(ПО) (негидрофоб.); 6 - Si-Si02{ТО) (негидрофоб.).

В гидрофобизированных образцах на поверхности находятся неполярные группы, поэтому не происходит захват носителей, а их подвижность остается высокой.

Процесс гидрофобизации приводит к значительному уменьшению числа поверхностных силаноловых групп, но не влияет на внутренние, возможно даже гидратированные силаноловые группы, которые могут ухудшать долговременную временную стабильность поверхностного заряда электретов, особенно в условиях повышенной влажности. Такие приповерхностные слои могут вызывать эффект "островковой" разрядки образцов, при которой отдельные участки могут обнаруживать значительно более сильное уменьшение потенциала, чем в среднем по образцу. Таким образом, образование силанольных групп является одним из условий возникновения стабильного отрицательного заряда электретов из S1O2 и в то же время порождает одну из основных причин его нестабильности.

Отметим, что влияние модификации с помощью гидрофобизатора проявляется по-разному в зависимости от метода получения диоксида. Так, обработка модификатором диоксида, полученного сухим окислением, практически не влияет на характеристики исследуемых электретов. В то же время аналогичная обработка диоксида, полученного влажным окислением, приводит к существенному улучшению характеристик.

Возможной причиной подобного поведения является то, что в струк-Tvne лиоксила на поверхности находятся атомы кислорода, которые не моа/ Л. ' ' л. — — жет заместить группа -СЯ3 гидрофобизатора [40]. В то же время при окислении во влажном кислороде на поверхности оказывается достаточное количество групп -ОН, которые и замещаются группами -СН3. Таким образом, в этом случае на поверхности действительно возникает гидрофобизирую-щий слой.

§5.3.5 Оценка электрофизических параметров электретных структур Si-Si02-UH

Как уже отмечалось в главе I существенное влияние на структуру и электрические свойства S1O2 оказывают примесные дефекты, являющиеся эффективными центрами захвата заряда. Наиболее распространены дефекты, связанные с присутствием молекул воды, которые, диффундируя через слой диоксида к границе Si-SiOz, распадаются на ОЯ-группы и водород, вступающие во взаимодействие с сеткой кремний-кислородных тетраэдров. При этом происходит насыщение разорванных связей Si-O с образованием гидроксильных и гидридных нейтральных центров Si-OH и Si-H, которые и являются примесными дефектами, наибольшее количество которых наблюдается в структурах диоксида кремния изготовленного по "влажной" технологии [4, 97].

В литературе сообщается о том, что слои полиимида могут существенно влиять на электрофизические параметры микроэлектронных структур. Так, в работе [153] отмечалось, что слои полиимида, нанесенные на кремнии, увеличивают плотность поверхностных состояний на границе ПИ-Si. Пленки полиимида могут сами накапливать заряд, но это наблюдалось в объемных слоях полиимида толщиной 10-20 мкм. В этом случае энергия активации для отрицательного заряда составляла ~1 эВ [154]. В работе [155] указывалось, что пленки ПИ, нанесенные методом Ленгмюра-Блоджетг на подложку из кремния и оксида кремния, могут накапливать отрицательный заряд и выступать в качестве акцепторных центров захвата носителей заряда.

Таким образом, для выяснения, как пленки ПИ влияют на электрофизические параметры релаксационных процессов исследуемых электретных структур, были проведены исследования ТСРП по методике, описанной в главе III, с последующим восстановлением энергетического распределения ЭАД. Проведение подобных исследований интересно еще с той стороны, что пленки ПИ, исследуемые в данной работе, обладают достаточно большим температурным порогом разложения ~ 560°С и могут применяться в приборах высокотемпературной электроники.

На рис.5.10 представлены температурные зависимости ТСРП для структур 5702 и Si02-ПИ (9 монослоев) для положительного и отрицательного заряда для (3=0.12 К/с. Видно, что модификация поверхности пленками ПИ дает заметный вклад при стабилизации электретного эффекта в условиях изменения температуры. На кривых ТСРП заметны ступеньки, положение которых соответствует положению пиков на кривой энергетического распределения ЭАД.

Таким образом, применение данного метода исследования позволило с достаточной степенью достоверности определить параметры ЭАД в исследуемом материале (рис.5.11), исходя из которых видно, что наблюдаемые в 5/О2-ПИ релаксационные процессы не являются моноэнергетическими, а ЭАД имеют сложное энергетическое распределение.

Результаты анализа электрофизических параметров ЭАД приведены в табл.5.1. На основании этих результатов можно предположить, что пленки ПИ вносят дополнительные энергетические уровни центров захвата к уровням немодифицированных слоев диоксида кремния.

-178-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изучены электретные свойства микроэлектронных структур со слоями диоксида и нитрида кремния на кремниевой подложке, исследованы физические процессы, связанные с накоплением и релаксацией заряда. На основании проведенных исследований и полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что стабильность электретного эффекта в структурах Si-Si02 и Si-Si02~Si^N4 достаточно сильно зависит от технологических особенностей получения слоев диоксида и нитрида кремния. Найдены оптимальные режимы формирования стабильных электретов на основе используемых "кремниевых" технологий (термическое окисление кремния, плазмохимическое осаждение, пиролитическое осаждение и ВЧ-реактивное магнетронное распыление кремниевой мишени). Установлено, что наилучшими электретными характеристиками обладают двухслойные структуры Si-Si02-Si3N4 в которых слой диоксида получен с использованием термического окисления в режиме "сухое"-"влажное"-"сухое" и нитрид кремния, полученный пиролитическим осаждением.

2. Предложен и применен комплексный метод исследования физических процессов в электретных структурах, состоящий из традиционных методик исследования, таких как: ИК-спектроскопия, термоактивационная спектроскопия, измерение CF-характеристик и метод структурного низкочастотного ВТ. Определены физические процессы сопровождающие и влияющие на захват и релаксацию заряда.

3. У становлено, электризация образцов в кирош-шм разряде приводит к уменьшению амплитудуы полос поглощения водородсодержащих комплексов, а именно групп Si-OH в слое диоксида и Si-H в слое нитрида. Это экспериментально доказывает, что эти группы, с одной стороны, принимают участие в захвате заряда, а с другой стороны - захват электрона этими группами приводит к их распаду с образованием отрицательно заряженного центра и нейтрального, несвязанного атома водорода с протеканием электрохимических реакций:

SiO-Н0 + е SiO'+Н0 и Si-H° + е Sf+H°.

-1794. Показано, что для большинства образцов центры захвата имеют квазинепрерывное распределение в широком диапазоне энергий. Установлена зависимость природы и концентрации ловушек носителей заряда от технологии изготовления образца. Определены максимумы энергий активации и эффективные частотные факторы электрически активных дефектов. Установлено, что основными центрами захвата отрицательного заряда в данных структурах являются примесные водородсодержащие комплексы, энергетически мелкие и глубокие собственные структурные дефекты. В двухслойной структуре Si-Si02-SiiN4. со слоем нитрида кремния, полученным пиролитическим осаждением глубокими центрами захвата отрицательного заряда являются, также, структурные дефекты, обусловленные несовершенством переходного слоя межфазной границы SiOi-SiъМл (Еа= 1.42 эВ).

5. При измерении CF-характеристик и оценке центроида инжектированного заряда в образцах до и после зарядки показано, что в процессе электризации, в зависимости от технологии изготовления образца, объемный отрицательный заряд накапливается в слое, удаленном от свободной поверхности на расстояние х =50-90 нм, при этом его плотность составляет около 5-1012 см"2. Сдвиг СК-характеристик по оси напряжений электризованных образцов в результате термообработки (Т—200°С в течение 1 ч.) экспериментально подтвердил тот факт, что под действием температуры фронт заряда смещается вглубь образца.

6. Установлено, что на температурной зависимости ВТ электризованных образцов появляются дополнительные пики, связанные с возбуждением новых дефектов, отсутствующих у незаряженных структур. Предполагается, что за эти пики отвечает атомарный водород, делокализованный в процессе электризации при захвате электронов и разложении примесных центров захвата. При этом разработана новая методика исследования релаксационных процессов в электризованных образцах на основе метода внутреннего трения. В рамках методики отслежена динамика изменения внутреннего трения и модуля Юнга заряженных образцов при последовательных циклах "нагрев охлаждение".

Предполагается, что под действием температуры с каждым последующим циклом носители заряда активируются, смещаются вглубь образца и повторно локализуются на центрах захвата, высвобождая тем самым все больше атомарного водорода. Совпадение значений энергии активации данного процесса (£>=0.52-0.61 эВ) со значениями максимумов энергии активации релаксационных процессов, полученных с помощью термоактивационной спектроскопии (£^=0.52-0.55 эВ), указывают на тот факт, что процесс высвобождения водорода и захват электрона связаны.

8. Установлено, что применение совместимых с кремниевой технологией кремнийорганических покрытий на основе ГМДС и ДМДХС, а также пленок полиимида, нанесенных методом Ленгмюра-Блоджетт на свободную поверхность Si02, уменьшает поверхностную проводимость образца. Показано, что в условиях повышенной влажности наилучшая стабильность электретного эффекта структуры Si-SiOi наблюдается при гидрофобизации пленками полиимида, обусловленная не только путем гидрофобизации поверхности, но и путем формирования дополнительных глубоких центров захвата как для отрицательного (£^=1.18 эВ), так и для положительного заряда (£^=1.0 эВ).

9. Экспериментально установлено, что предварительная термообработка образцов в вакууме при температуре 550°С увеличивает стабильность электретного эффекта в исследуемых образцах. В структурах Si-SiOi это связано с уменьшением концентрации мелких ловушек и увеличением начальной энергетической глубины локализации заряда. В двухслойной структуре со слоем нитрида кремния, полученным PMF увеличение стабильности связано с появлением дополнительных центров захвата, обусловленных группами Si-H, в результате перераспределения водорода между слоями диоксида и нитрида кремния.

10. Сформулирована и обоснована количественная физическая модель формирования и релаксации электретного состояния в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4. В основу модели положен электронный инжекционно-дрейфовый механизм. Дана количественная оценка центров захвата и определена их природа.

1.Барабан. А Л, Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника слоев Si02 на кремнии.-Л.: ЛГУ, 1988.

2. Helms C.R., Poindexter Е.Н. The silicon-silicon dioxide system: its microstructure and imperfections //Rep. Prog. Phys., 1994, Vol.57, p.791-852.

3. Revesz A.G., Hughes H.L. Effects of heat treatments in inert ambients on Si/Si02 structures II J. Non-Cryst. Solids, 1999, Vol. 254, p.47-56.

4. Olthuis W., Bergveld P. On the charge storage and decay mechanism in silicon dioxide // Proc. 7th Intern. Symp. Electrets, Berlin 1991. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1991, p.16-26.

5. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков -М.: Металлургия, 1988.

6. Белый В.И, Васильева Л.Л., Гриценко В.А. и др. Нитрид кремния в электронике. Новосибирск: Наука, 1982.

7. Шнаревич Е.И., Рыбинский О.А., Злобин В.А. Диэлектрики интегральных схем. -М: Энергия, 1975.

8. Электреты / Под ред. Г. Сесслера. М: Мир, 1983.

9. Electerets / Edited by R. Gerhard-Multhaupt // Third edition, Vol. 2 -California: Laplauiau Press, 1999.

10. Мекишев Г. А. Исследование влияния свободных зарядов на электретный эффект в диэлектриках // автореф. дис. канд. наук. JL, 1981.

11. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973.

12. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М: Наука, 1991.

13. Skuja L.N., Silin A.R., Boganov A.G. On the nature of the 1.9 eV luminescence centers in amorphous Si02 // J. Non-Cryst. Solids, 1984, Vol. 63, №3.

14. Гольдман Е.И. Электронно-ионный обмен на межфазных границах диэлектрик-полупроводник и его влияние на транспорт ионов в изолирующем слое. // ФТП, 2000, т.34, №8, с.984-992.

15. Силинып Э.А. Электронные состояния органических молекулярных кристаллов. Рига: Зинатне, 1978.

16. Мотт Н.Ф., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М: Мир, 1982.

17. Архипов В.И., Руденко А.И, Андриеш A.M., Иову М.С., Шутов С.Д. Нестационарные инжекционные токи в неупорядоченных твердых телах. -Кишинев: Штиинца, 1983.

18. Noolandi J. Equivalence of multiple-tapping model and time-dependent randomwalk. //Phys. Rev., 1977, Vol. B16. p.4466-4479.

19. Shirley C.G. High field phenomena in thermal Si02 H J. Electrochem. Soc., 1985, Vol. 132, №2.

20. Мальцев А.И., Поспелов B.M., Нагин A.H., Поспелов В.В. Влияние температурного и внешнего поля на стекание заряда в МНОП-структуре. // Микроэлектроника, 1976, т.5, № 5, с. 430-435.

21. Woods M.H., Williams R. Hole traps in silicon dioxide // J. Appl. Phys., 1976, Vol. 47, №3.

22. Гурский JI.И., Румак Н.В., Куксо В.В. Зарядовые свойства МОП-структур. Минск: Наука и техника, 1980.

23. Olthuis W., Bergveld P. On the charge storage and decay mechanism in silicon dioxide electrets // IEEE Transaction on Electrical Insulation, 1992, Vol.27. p.691-697.

24. Физика тонких пленок / Под ред. Г.Хасса и Р.Э.Туна, т.4. М: Мир,1970.

25. Румак Н.В. Компоненты МОП-интегральных микросхем. Минск: Навука i тэхшка, 1991.

26. Nicollian E.H., Berglund C.N., Schmidt P.F., Andrews J.M. Electrochemical charging of thermal Si02 films by injected electron currents // J. Appl. Phys.,1971, Vol. 42, p.5654-5664.

27. Hughes R.C. Charge-carrier transport phenomena in amorphous Si02, direct measurement of the drift mobility and lifetime // Phys. Rev. Lett., 1973, Vol. 30, p.1333.

28. Giinther P., Xia Zhongfu Transport of detrapped charges in thermally wet grown Si02 electrets // J.Appl.Phys., 1993, Vol. 74, № 12, p.7269-7274.

29. Белый В. И., Расторгуев А. А. Новый взгляд на природу электронных уровней в аморфном нитриде кремния // Химия в интересах устойчивого развития, т.8, № 1, 2000.

30. Giinther P. Long-term stability and TSC measurements of Si02-electrets // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. -Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988, p.137-141.

31. Spenkels A.J., Olthuis W.,Bergveld P. The application of silicon dioxide as an electret material // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. -Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988, p.165-169.

32. Kuz'min Y.L., Pshchelko N.S., Sokolova I.M., Zakrzhevskiy V.I. The percolation behaviour of electret at presence of water condensation // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p. 124129.

33. Заев H.E. Исследования по электретам. // Автореф. дисс. канд. наук. -М.ВНИИМ, 1966.

34. Голоудина С.И., Закржевский В.И., Козодаев Д.А. и др. Полиимидные нанослоевые композиции, как стабилизирующие покрытия микроэлектронных структур // Петербургский журнал электроники,- СПб, №4,2001, с.79-86.

35. Voorthuyzen J.A., Keskin К., Bergveld P. Investigations of the surface conductivity of silicon dioxide and metods to reduce it // Surface Sci, 1987, Vol. 187, p.201-211.

36. Giinther P., Shi Linsheng. Annealing effect in TSD spectra of Si02 electrets // Proc. 7th Intern. Symp. Electret, Berlin 1991. - Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1991, p.663-668.

37. Lin Huamao, Xia Zhongfu, Shen Shaoqun. The study of the intrinsic charges in Si02 electrets // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p.107-112.

38. Duvault Y., Gagnaire A., Gardies F., et al. Physicochemical characterization of covalently bonded alkyl monolayers on silica surfaces // Thin Solid Films, 1990, Vol. 185, p.169-179.

39. Ho Chee Lai, Murphy P., Latour M. Improved silicon dioxide electret for silicon-based integrated microphones // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p.949-954.

40. Thielemann C., Amjadi H., Klemberg J.-S., Martimi L., Wertheimer M.R. Miniaturized inorganic electret layers. // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ) : IEEE, 1994, p.1022-1027.

41. Amjadi H. Charge storage in double layers of silicon dioxide and silicon nitride // Proc. 9th Intern. Symp. Electrets, Shanghai 1996. Piscataway (NJ): IEEE, 1996, p.22-27.

42. Ming Zhou Zhao, Zhi Qiang Huang, Lin Zhuang Sha. The properties of Lpcvd Si3N4/Si02 film electret based on silicon // Proc. 9th Intern. Symp. Electrets, Shanghai 1996. Piscataway (NJ): IEEE, 1996, p.151-156.

43. Xiaoqin Huang, Xishun Xie. Theoretical analysis of mechanism of charge storage in silicon dioxide wafer electrets // Proc. 9th Intern. Symp. Electrets, Shanghai 1996. Piscataway (NJ): IEEE, 1996, p.46-48.

44. Balk P. The Si-Si02 system. Amsterdam: Elsevier, 1988.

45. Закржевский В.И., Моргунов М.М. Релаксация заряда в конденсаторных структурах Та-Та205 и А1-А1203 с виртуальным катодом // Электронная техника. Сер. "Радиодетали и компоненты", 1985, Вып. 2 (59), с.10-13.

46. Voorthuyzen J.A., Olthuis W., Bergveld P., Spenkels A.J. Research and development of miniaturized microphoned // IEEE Trans. Electric. Insul, 1989, Vol. 24, p. 255-266.

47. Bai Wei, Daben Yang. Charge storage of a new organic/inorganic hybrid film electret PVDF/Si02. // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ) : IEEE, 1994, p. 113-117.

48. Xia Zhongfu. The electret properties of SiC>2 films prepared by sol-gel process // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p. 101-106.

49. Hohm D., Gerhard-Multhaupt R. Silicon dioxide electret transducer // J. Acoust. Soc. Am, 1984, Vol. 75, p. 1297-1298.

50. Hohm D. Subminiatur-SШziшn-KondensatoImikrofon // Conf. proc. DAGA'5, 85.-Stuttgart, 1985,p.185-188.

51. Hohm D. Die Capazitive Silizium-Sensoren fur Horschallanwendungen. // Ph.D. Thesis. Technical University of Darmstadt, 1986.

52. Bergqvist J., Gobet J. Capacitive microphone with a surface micromachined backplate using electroplating technology // J.Microelectromech.Syst., 1994, Vol. 3, № 2, p.69-75.

53. Sessler G.M. New applications of electret // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p.937-942.

54. Закржевский В.И. Электризованные диэлектрики и их техническое применение // Тез. докл. межд. н.-техн. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики 97". - СПб, 1997, с.99-100.

55. Козодаев Д.А. Расчет и конструирование электретных преобразователей. // Тезисы докладов научной молодежной школы по твердотельным датчикам. СПб, 1998, с. 42.

56. Kozodaev D., Pshchelko N., Zakrzhevsky V. Analysis of electret sub-miniature microphones // Proc. 10th Intern. Symp. Electrets, Delphi 1999, -Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1999, p.797-800.

57. Voorthuyzen J.A., Bergveld P. Micromachinmg of electret materials, advantages and possibilities // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. -Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988, p.582-586.

58. Voorthuyzen J.A., Bergveld P. An electret-based pressure sensitive MOS transistor // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988, p.587-591.

59. Murphy P., Hllbschi K., Rooji N., Racine C. Subminiature silicon integrated electret-capacitor microphone // IEEE Transactions on electrical insulation, 1989, Vol. 24, № 3, p.495-498.

60. Murphy P., Hiibschi K. Subminiature hearing aid microphones // Proc. 5th Intern. Symp. Electrets, Heidelberg 1985. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1985, p.732-737.

61. Murphy P., Hiibschi K. Subminiature silicon integrated electret condenser microphone // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988,p.213.

62. Spenkels A.J., Bergveld P. The use of silicone technology for an electret microphone construction // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. -Piscataway NJ, USA): IEEE, 1988, p.593-597.

63. Spenkels A.J., Olthuis W.,Bergveld P. The application of silicon dioxide as an electret material // Proc. 6th Intern. Symp. Electrets, Oxford 1988. -Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1988, p.165-169.

64. Olthuis W., Bergveld P. On the charge storage and decay mechanism in sihcon dioxide // Proc. 7th Intern. Symp. Electrets, Berlin 1991. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1991, p.16-26.

65. Olthuis W., Bergveld P. On the charge storage and decay mechanism in silicon dioxide // IEEE Transaction on Electrical Insulation, 1992, Vol. 27, p.691-697.

66. Gerhard-Multhaupt R., Gross В., Sessler G.M. Recent progress in electret research // В кн.: Electrets, G.M.Sessler (ed.). 2nd enlarged edition. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Yerlag, 1987, p.383-431.

67. Ho Chee Lai, Murphy P., Latour M. Improved silicon dioxide electret for silicon-based integrated microphones // Proc. 8th Intern. Symp. Electrets, Paris 1994. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1994, p.949-954.

68. Amjadi H. Electret membranes and backelectrodes for application in micromechanical transducers. II J. Electrostatics, 2000, Vol. 48, p.179-191.

69. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление. Диффузия. Эпитаксия. / Под. ред. Р.Бургера и Р.Донована. М.: Москва, 1969.

70. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. М. : Высшая школа, 1984.

71. Ceiler M.F., Kohl P.A Bid^tnr1 ^ A Plasma-Enchanced chemical vanorу у Г хdeposition of silicon dioxide deposited at low temperatures. I I J. Electrochem. Soc., 1995, Vol. 142., №6.

72. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М., Энергоатомиздат, 1989.

73. Шепелев С.Н., Васильев В.Ю., Попов В.П. и др. Плазмохимическое осаждение тонких слоев в реакторах пониженного давления. // Обзоры по ЭТ, Сер.2, № 2, М: ЦНИИ "Электроника", 1988.

74. Валеев А.С. и др. Исследование процесса осаждения Si02 на установке УВП-2М // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1986, № 4, с.60-65.

75. Бекерис Ю.Я. Свойства пленок SiCb, осажденных в высокочастотном разряде на кремнии // Автореф. дис. канд. наук. -Рига, 1985.

76. Юдина Н.К., Чупахин М.С., Федоров Э.А. и др. Исследование и контроль плазмохимических процессов // Зарубежная электронная техника. М: ЦНИИ "Электроника", 1980, № 3, с.3-54.

77. Deal В.Е. Current understanding of charges in the thermally oxidized silicon structure // J. Electrochem. Soc., 1974, Vol.121., № 6, p.198-205.

78. DiMaria D.J. Defect production, degradation and breakdown of silicon dioxide films. // Solid State Electronics, 1997, Vol.41, № 7, p.957-965.

79. Костромин С.В. Низкотемпературная технология получения эпйтаксиальных структур карбида кремния на изоляторе на основе композиции "SiC-AIN". // Автореф. дисс. канд. наук. СПб: СПбГЭТУ, 1997.

80. Технология тонких пленок. Справочник. / Под. ред. Л.Майселла и Р.Глэнга. М.: Советское радио, 1977.

81. Бурдовицын В.А., Смирнова К.И., Смирнова Т.П. О механизме образования нитрида кремкия при ионно-реактивном распылении. // Рукопись деп. в ЦНИИ "Электроника", № 2150. М., 1977.

82. Соколова И.М. Исследование процесса зарядки и харатеристик электретов, полученных в системе жидкостных контактов. // Автореф. дисс. канд. наук, Л.: ЛЭТИ, 1980.

83. Vance D.W. Surface charging of insulators by ion irradiation // J. Appl. Phys., 1971, Vol. 42, p.5430-5443.

84. DiMaria D.J., Stasiak J. Trap creation in silicon dioxide produced by hot electrons. // J. Appl. Phys., 1989, Vol. 65, № 6, p.2342-2356.

85. Рынков A.A., Бойцов В.Г. Электретный эффект в структурах полимер-металл. СПб: Изд-во РГПУ, 2000.

86. Shahin М.М. Nature of charge carriers in negative coronas. // Appl. Opt. Suppl., 1969, № 3, p.111-119.

87. Sessler G.M., Alquie C., Lewiner J. Charge distribution in Teflon FEP negatively corona-charged to high potentials // Proc. 7th Intern. Symp. Electrets, Berlin 1991. Piscataway (NJ, USA): IEEE, 1991, p.382-387.

88. Amjadi H. Thermal-pulse investigation of thermally grown silicon dioxide electrets. // Proc. 9th Intern. Symp. Electrets, Shanghai 1996. Piscataway (NJ): IEEE, 1996, p.259-264.

89. Gross B. Charges in dielectrics // J. Chem. Phys., 1949, Vol. 17, № ю, p.866-872.

90. Закржевский В.И., Козодаев Д.А., Ласка В.Л., Соколова И.М., Федорович Ю.В. Электреты из многослойных неорганических диэлектриков // Тез. докл. межд. н.-техн. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97". -СПб, 1997, с.101-103.

91. Вавилов B.C., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, 1990.

92. Вертопрахов В.Н., Сальман Е.Г. Термостимулированные токи в неорганических веществах. Новосибирск: Наука, 1979.

93. Губкин А.Н. Электреты. -М.: Наука, 1978.

94. Тонконогов М.П., Миронов В.А., Булах В.И. // Тез. докл. Всес. конф. "Физика диэлектриков и новые области их применения". Караганда, 1978, с.150-151.

95. ПЗ.Адамар Ж. Задача Коши для линейных уравнений с частотными производными гиперболического типа. М.: Наука, 1978.

96. Математический энциклопедический словарь. / Под ред. Прохорова В.Ю. -М.: Советская энциклопедия, 1988.

97. Александров JI.H., Зотов М.И. Внутреннее трение и дефекты в полупроводниках. Новосибирск: Наука, 1979.

98. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1974.

99. Постников B.C. Внутреннее трение в полупроводниках. // В кн.: Механизмы внутреннего трения в полупроводниках и металлических материалалах. М.: Наука, 1972, с.6-16.

100. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985.

101. Георгиу В.Г. Вольт-фарадные измерения параметров полупроводников. -Кишинев: Штиинца, 1987.

102. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1987.

103. Сезонов Ю.И. Методика определения величины и центроида фотоинжектированного заряда в диэлектрическом слое структур Si-SiCb // Тез. докл. Ш Всес. семинар "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем", ч. II М., 1984, с.208.

104. Ильин В.А., Казак-Казакевич А.З., Петров А.А. и др. Экспериментальные методы исследования. // Метод, указ. лаб. раб. "Методы исследования материалов и компонентов электронной техники". -СПб: СПбГЭТУ, 1998.

105. Тарасов К.И. Спектральные приборы. -Л.: Машиностроение, 1974.

106. Adams A.C., Alexander F.B., Capio C.D. et al. // J. Electrochem. Soc., 1981, Vol. 128, № 7, p.1545-1551.

107. Shu-Ya Lin Hydrogen-induced electronic states and vibrational modes in hydrogenated amorphous silicon nitride // Thin Solid Films, 2001, Vol. 395, p.101 -104.

108. Гадияк Г.В. Моделирование распределения водорода при инжекции электронов в пленках Si02 в сильных электрических полях // ФТП, 1997, т. 31, № 3, с.257-263.

109. Гадияк Г.В., Гадияк В.Г., Косинова M.JT., Сальман Е.Г. Теоретическая модель для описания деградации тонких водородсодержащих пленок // ЖТФ, 1997, т. 67, № 8, с.105-110.

110. Gadiyak G.V. Physical model and numerical results of dissotiatin kinetics of hydrogen-passivated Si/Si02 interface defects // Thin Solid Films, Vol. 350, 1999, p.147-152.

111. Гороховатский Ю.А., Закржевский В.И., Ильин C.A., Козодаев Д.А., и др. Комплексный подход для исследования релаксационных процессов в структурах Si-Si02 и Si-Si02-Si3N4 // Тез. докл. Всерос. научн. конф. "ФПП-2002". СПб, 2002, с.216-218.

112. Гороховатский ЮЛ., Жданок В.И., Пономарев А.П. // Тез. докл. Всес. конф. "Физика окисных пленок". Петрозаводск, 1982, с.91-92.

113. Дмитриев С.Г., Маркин Ю.В. Распределение подвижных ионов вблизи границы диэлектрик-полупроводник. // ФТП, 2000, т. 34, № 8, с.970-975.