Электрофизические свойства кремниевых МПД-структур с оксидом самария и иттербия в качестве диэлектрика тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



V

ч

л*

На правах рукописи

Л

Трусова Алла Юрьевна

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ МДП-СТРУКТУР С ОКСИДОМ САМАРИЯ И ИТТЕРБИЯ В КАЧЕСТВЕ ДИЭЛЕКТРИКА

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 1997

Работа выполнена на кафедре электроники твердого тела Самарского государственного университета

Научные руководители: кандидат физико-математических наук, доцент Рожков В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, академик РАЕН Булярский C.B.

доктор физико-математических наук, профессор Самохвалов М.К.

Ведущая организация: Саратовский государственный университет.

Защита состоится 1997 г. в

часов на заседании

диссертационного совета К 063.94.05 при Самарском государственном университете по адресу: 443011 ул. Академика Павлова 1, аудитория 203

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан "

997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. физ.-мат. наук, доцент

Жукова В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Развитие современной микроэлектроники в значительной степени определяется достижениями физики поверхности полупроводников и выдвигает перед этой областью науки целый ряд исключительно важных научных и практических задач. Микроминиатюризация полупроводниковых устройств, внедрение в производство планарной и пленочной технологии приборов вызвали необходимость разработки сложных полупроводниковых систем и исследования их свойств.

Сложные слоистые системы различного типа, в особенности системы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), приобрели в последнее время исключительную актуальность в связи с чрезвычайно широким их распространением в полупроводниковых приборах и физических исследованиях. Именно такие системы составляют основу почти всего современного полупроводникового приборостроения, в том числе и микроэлектроники. Специфические свойства этих систем уже сейчас позволили предложить и разработать целый ряд новых полупроводниковых приборов (полевые транзисторы с изолированным затвором, МДП-варикапы, фотоварикапы, приборы с зарядовой связью, элементы памяти, переключатели, логические устройства И др.)

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию МДП-систем, и значительные успехи, достигнутые в понимании их свойств, многие вопросы, связанные с работой этих структур, до конца еще не могут считаться решенными. По-прежнему главными задачами этой области физики являются выяснение механизмов доминирующих физических процессов, протекающих на поверхности и в области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, установление природы поверхностных электронных состояний, поиск и разработка новых систем диэлектрик-полупроводник, изыскание методов сознательного управления параметрами МДП-систем, дальнейшее выяснение возможностей их практического использования. Среди основных путей улучшения параметров МДП-приборов и элементов интегральных схем следует выделить получение высококачественной границы раздела полупроводника с диэлектрической пленкой, использование диэлектрических материалов с лучшими характеристиками, совершенствование методов нанесения диэлектрических пленок.

К числу перспективных диэлектрических материалов относятся оксиды редкоземельных элементов (ОРЗЭ), которые обладают большими значениями диэлектрической проницаемости, высокой электрической прочностью, химической и термической стойкостью, расширенными функциональными возможностями. К настоящему времени на основе этих материалов разработаны и изготовлены высокоэффективные МДП-варикапы, МДП-транзисторы, электрические и тепловые пере-

ключатели, элементы памяти, термостойкие и эффективные просветляющие покры тия для кремниевых фотоэлектрических приборов.

Однако, несмотря на значительные практические успехи в технологии МДП приборов с оксидами редкоземельных элементов (РЗЭ), многие фундаментальны! вопросы, связанные с физикой явлений в них, а также касающиеся физико^ химической природы их основных характеристик, до настоящего времени остаюто невыясненными. К числу таких проблем относится определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах, параметров и природь ловушек, являющихся центрами захвата носителей заряда, установление электрических и фотоэлектрических свойств МДП-структур с диэлектрическими пленками и: ОРЗЭ. Актуальность решения указанных проблем определяется как самой логикой развития знаний о свойствах пленок ОРЗЭ, так и требованиями практического использования этих пленок в различных устройствах, поскольку именно эти параметры определяют основные электронные параметры и характеристики МДП-приборов.

Целыо настоящей работы является исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств кремниевых МДП-структур с оксидом самария и иттербия в качестве диэлектрика, изучение фундаментальных параметров МДП-систем, определение величин энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах, исследование качества границы раздела диэлектрик-полупроводник, определение параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях оксидов РЗЭ.

Научная новизна работы заключается прежде всего в том, что проведено комплексное экспериментальное исследование фундаментальных параметров кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия. Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик впервые определены высоты энергетических потенциальных барьеров на межфазных границах А1-БпъОз (2.89-2,91 эВ), 85-Бггь03 (2,70-2,72 эВ), №-5т203 (3,29-3,33 эВ), А1-УЬ203 (2,9-2,92 эВ), Б^УЬгОз (3,18-3,21 эВ), №-УЬ203 (3,3-3,32 эВ).

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облучения определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пленке. Установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика. Сечение захвата и плотность электронных ловушек в диэлектрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10"'9см2 и 1,6-1012см"2 соответственно.

Методом фотостимулированной деполяризации обнаружен пик фототока, который отсутствовал до заряжения диэлектрика. Показано, что электронные центры захвата располагаются вблизи середины запрещенной зоны диэлектрика, в пленке

УЬ203 на расстоянии 2,4-2,7 эВ от дна зоны проводимости, в пленке БетьОз на расстоянии 2,25-2,6 эВ.

Установлены основные закономерности захвата заряда в диэлектрике при облучении структур как УФ-излучением, так и монохроматическим светом с энергией фотонов Иу, меньшей ширины запрещенной зоны Е8 при одновременном воздействии внешнего электрического поля. Знак захваченного заряда - отрицательный, а его величина увеличивается с ростом приложенного напряжения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения. Величина захваченного в диэлектрике эффективного заряда на порядок меньше заряда, прошедшего через структуру.

Впервые исследованы основные закономерности электрического пробоя диэлектрической пленки оксида самария в кремниевых МДП-структурах. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке при скорости роста пилообразного напряжения Ку=Ю-105 В/с величина пробивной напряженности электрического поля линейно нарастает с увеличением логарифма скорости роста приложенного напряжения и пробой имеет кинетический характер, который связывается с накоплением критического заряда в приконтактной области диэлектрика. На втором участке при Ку>106 В/с, величина поля пробоя не зависит от изменения скорости роста приложенного напряжения и пробой носит "критический" характер. Величина напряженности электрического поля пробоя на этом участке увеличивается с уменьшением толщины диэлектрика и площади верхнего электрода. Обнаружено уменьшение электрического поля пробоя с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики напряженности электрического поля пробоя уменьшается с увеличением скорости роста приложенного напряжения. Установлено, что время задержки пробоя при приложении к структуре прямоугольного ступенчатого напряжения экспоненциально уменьшается с возрастанием величины электрического поля и температуры. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида самария для области скорости роста пилообразного напряжения 10-Ю5 В/с. Показано, что развитие пробоя состоит из подготовительной стадии, связанной с накоплением в диэлектрике критического заряда, при превышении которого пробой переходит в быструю фазу собственного пробоя диэлектрика.

Положения, выносимые на защиту :

1. Результаты экспериментального исследования электрического пробоя в структуре с пленочным оксидом самария.

2. Энергетические параметры МДП-структур с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия, определенные методом внутренней фотоэмиссии электронов из металла и полупроводника в пленку диэлектрика.

3. Экспериментально установленные параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов самария и иттербия.

4. Закономерности и физическая модель накопления заряда в кремниевых МДП-структурах с диэлектрическими пленками БпъОз и УЪ20}.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российской научно-технической конференции " Новые материалы и технологии" (Москва,1994 г.), 5 International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics (Leicester, England, 1995), Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997 г.), Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков (Санкт-Петербург, 1997 г.), The Dielectrics Society 28lh Annual Conference Charges in Solid Dielectrics (Darwin College, University of Kent at Canterbury, England, 1997), IX Международной школе-семинаре Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ (Самара, 1997 г.) и опубликованы в 14 научных работах .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 9 статей и докладов и 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 173 наименований, содержит 80 рисунков, 17 таблиц. Общий объем диссертации составляет 177 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, указаны новизна, научная и практическая важность результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава "Электрофизические свойства оксидов редкоземельных элементов" носит обзорный характер. В ней рассмотрены структура объемных и пленочных оксидов редкоземельных элементов, приведены их основные электрические, диэлектрические и оптические свойства, а также проанализированы основные электрофизические свойства МДП-структур с оксидами редкоземельных элементов.

При изучении структуры полуторных окислов редкоземельных элементов методами рентгеноструктурного анализа установлено, что они кристаллизуются в трех различных модификациях : А, В и С. Кристаллизация в той или иной структурной форме определяется температурой, давлением и размером ионных радиусов лантаноидов.

Оксиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими и механически прочными соединениями, модифицирующий эффект редкоземельных металлов (размельчение структуры) способствует образованию мелкодисперсной и плотной структуры при сравнительно малых значениях "критической толщины", химическая инертность материалов на основе окислов редкоземельных металлов предполагает высокую электрическую прочность и однородность пленок. Отмечено, что структура и состав диэлектрических пленок часто оказывают решающее влияние на их электрофизические свойства, а следовательно, и на параметры изготовленных на основе этих пленок приборов.

Пленки полуторных окислов РЗЭ обладают высокими значениями диэлектрической проницаемости е=8-^20, удельного сопротивления р=10и-г1015 Ом-см, характеризуются химической и термической стойкостью, влагостойкостью, механической прочностью, хорошей адгезией к кварцевым, ситаловым, кремниевым подложкам. Пленки ОРЗЭ прозрачны в видимой и инфракрасной области спектра, имеют оптимальное значение показателя преломления для использования в качестве просветляющих слоев кремниевых фотоэлектрических приборов. Проведенный в этой главе анализ показывает, что тонкие диэлектрические слои ОРЗЭ могут быть получены различными методами, в том числе и низкотемпературными. Отмечается, что стабильность и малые диэлектрические потери дополняют перечисленные выше характеристики и выделяют пленки ОРЗЭ как перспективные для изготовления активных и пассивных элементов интегральных схем, в частности для создания на их основе МДП-приборов. Однако практическое применение пленок ОРЗЭ в качестве компонента МДП-приборов с необходимостью предполагает детальное исследование основных фундаментальных параметров МДП-структур и изучение физических процессов, происходящих в диэлектрической пленке.

На основе проведенного анализа установлено, что, несмотря на перспективность использования пленок оксидов редкоземельных элементов для создания элементов и приборов полупроводниковой электроники, до настоящего времени не определены параметры энергетической зонной диаграммы МДП-структур с ОРЗЭ, практически не изучены вопросы, касающиеся накопления заряда в диэлектрической пленке при воздействии монохроматического излучения на структуру, не выяснены параметры активных центров захвата заряда в диэлектрических пленках ОРЗЭ кремниевых МДП-структур при облучении их монохроматическим светом и УФ-излучением.

Результатом проведенного анализа является выбор направления исследований. Таким направлением стало комплексное, многостороннее изучение электрофизических свойств кремниевых МДП-структур с оксидом самария и иттербия в качестве диэлектрика, определение их энергетических параметров, а также параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических пленках при облучении структур УФ-излучением.

Вторая глава "Методика получения и исследования свойств кремниевых структур с оксидами редкоземельных элементов" посвяшена описанию технологии изготовления экспериментальных образцов, методики измерения электрических и фотоэлектрических характеристик структур и измерительных установок. Пленки оксидов самария и иттербия были изготовлены термическим окислением пленок РЗЭ, предварительно напыленных вакуумным термическим испарением. Этот метод позволяет получать пленки ОРЗЭ достаточно хорошего качества и широко используется на практике.

Исследование явления электрического пробоя проводилось на структурах с прижимным верхним электродом из вольфрама. Это позволило проводить на одной и той же пластине большое число измерений характеристик пробоя, имеющих по своей природе статистический характер, и исключить влияние на результаты измерений возможного технологического разброса свойств пленок, полученных на разных пластинах. Кроме того, при малой площади верхнего прижимного электрода исключается также влияние технологических дефектов пленки.

Исследование механизма электропроводности диэлектрических пленок ОРЗЭ осуществлялось путем измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) МДП-структур, а также температурной зависимости тока при различных величинах напряжения смещения на структуре. Качество границы раздела 8ьОРЗЭ исследовалось путем измерения высокочастотных вольтфарадных характеристик (ВФХ) МДП-структур, зависимостей активной составляющей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 от напряжения, а также изучением кинетических зависимостей емкости структур при нестационарном истощении поверхности полупроводника в широкой области температур при различных обедняющих напряжениях.

Методом внутренней фотоэмиссии электронов из металла и кремния в пленку диэлектрика определялись высоты энергетических барьеров на межфазных границах с диэлектриком в МДП-структурах. При этом энергетические потенциальные барьеры на границах фаз диэлектрической пленки определялись из спектральных и вольтаическпх зависимостей фототока.

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока до и после облучения структуры монохроматическим светом с энергией фотонов большей ширины запрещенной зоны диэлектрика, а также УФ-излучением из области собственного поглощения диэлектрика определялись "центроид" и сечение захвата электронных ловушек в диэлектрике. Методом фотостимулированной деполяризации определялась энергетическая глубина залегания электронных ловушек.

Третья глава "Электрические свойства пленок оксидов редкоземельных элементов и кремниевых МДП-структур на их основе" посвящена описанию результатов исследования электропроводности диэлектрических пленок оксида самария и иттербия, а также их активной составляющей проводимости, тангенса угла диэлек-

трических потерь и вольтфарадных характеристик на переменном сигнале (1 МГц), стабильности электрических характеристик МДП-структур с оксидом самария и иттербия. Так же приведены результаты исследования качества границы раздела Бь ОРЗЭ методом кинетических зависимостей емкости при нестационарном истощении поверхности полупроводника и зависимостей активной составляющей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь tg 5 от напряжения, также зависимость перечисленных выше характеристик от технологических условий изготовления диэлектрического слоя. В этой же главе описаны результаты исследования основных закономерностей электрического пробоя диэлектрических пленок оксида самария.

Установлено, что пленки оксида самария и иттербия обладают высокими изолирующими свойствами, величины удельного сопротивления составили 10ы -К)'3 Ом-см и (0,5 -3)-1015 Ом-см для пленок 8т20з и УЬ203 соответственно. Коэффициент выпрямления для различных образцов лежал в пределах К=1,2-1,8 и К=1,1-2 для структур с оксидом иттербия и с оксидом самария соответственно. Температурная энергия активации проводимости монотонно уменьшается от 1,1-1,3 эВ до 0,86-0,9 эВ с ростом электрического напряжения от 2 до 5 В, а электропроводность диэлектрических пленок БтгОз и УЬ20з в кремниевых МДП-структурах удовлетворительно описывается механизмом Пула-Френкеля. Из ВАХ определены величины высокочастотной диэлектрической проницаемости пленок оксида самария и иттербия, которые соответственно равнялись 8,9 и 7,4.

Методом вольтфарадных характеристик МДП-структур изучены свойства границы раздела кремний - оксид РЗЭ. Определены величины фиксированного заряда в диэлектрике и эффективной плотности поверхностных состояний. Плотность поверхностных состояний в МДП-структурах с оксидом самария для большинства образцов не превосходит (3-3,6 )10'° эВ"' •см'", а с оксидом иттербия -(2,5-4)-10" эВ"'-см"2. Методом термололевых воздействий исследована стабильность параметров кремниевых МДП-структур с диэлектрической пленкой из оксидом самария в качестве диэлектрика. Показано, что указанные структуры обладают высокими значениями удельной емкости (СуД=0,03-0,05 мкФ/см') и коэффициента перекрытия емкости (К=4-6), хорошей добротностью ^8=0,04-0,16). Удельная емкость диэлектрика и коэффициент перекрытия емкости для исследованных образцов более чем в 3 раза превосходят такие же параметры широко распространенных аналогичных кремниевых МДП-систем с диэлектриком из двуокиси кремния.

Установлено, что исследованные образцы проявляют удовлетворительные фотоваракторные свойства при освещении структур белым светом. Коэффициент перекрытия емкости по свету для МДП-структур с диэлектрической пленкой из оксида самария составил 2,5 и 4 при уровнях освещенности, равных 4,3-103 и 3-Ю"* лк соответственно. Для структур с оксидом иттербия этот параметр равнялся 1,5 и 3.

При этом значения б и активной составляющей проводимости МДП-структур слабо зависят от освещения.

Методом кинетических зависимостей МДП-емкости исследовано качество границы раздела кремний- оксид РЗЭ. Рассчитанные из этих зависимостей значения скорости поверхностной генерации для различных образцов лежали в пределах 2050 см/с и 11-60 см/с для структур с оксидом самария и иттербия соответственно. Полученные значения скорости поверхностной генерации в исследуемых структурах более чем на порядок меньше аналогичного параметра кремниевых МДП-структур с термическим оксидом кремния в качестве диэлектрика. Установлено, что наилучшими электрическими характеристиками обладают пленки, изготовленные термическим окислением металлических слоев РЗЭ в кислородосодержащей среде при температуре 500° С. Показано, что процесс установления равновесия в ОПЗ при нестационарном обеднении поверхности полупроводника происходит путем термической генерации электронно-дырочных пар на поверхности и в ОПЗ полупроводника. Величина энергии активации генерационных центров, определенная из температурных характеристик, лежит в пределах 0,4-0,43 эВ. Установлено, что в случае превышения световой генерации над темповой скорость релаксации линейно зависит от интенсивности. Наблюдаемая высокая чувствительность релаксационных характеристик к свету из области собственного поглощения полупроводника свидетельствует о перспективности использования исследованных структур в качестве эффективных фотоприемников.

Изучены основные закономерности электрического пробоя пленок оксида самария. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях нарастания напряжения Ку, поле пробоя линейно увеличивается с ростом логарифма Ку и пробой имеет кинетический характер, который связан с накоплением критического заряда в прнконтактной области диэлектрика. На втором участке, при больших значениях Ку величина электрического поля пробоя перестает зависеть от Ку и пробой носит "критический" характер. Величина поля пробоя на этом участке возрастаете уменьшением толщины диэлектрика. Величина пробивного поля линейно уменьшается с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики снижается с увеличением скорости роста приложенного напряжения. Значение пробивного поля уменьшается с увеличением площади верхнего электрода.

Время задержки пробоя при приложении к структуре прямоугольного ступенчатого напряжения экспоненциально уменьшается с возрастанием величины электрического поля и температуры. Предложена теоретическая модель электрического пробоя пленки оксида самария для области скорости роста пилообразного напряжения 10-105 В/с. Показано, что развитие пробоя состоит из подготовительной стадии, связанной с накоплением в диэлектрике критического заряда, при превышении которого пробой переходит в быструю фазу собственного пробоя диэлектрика. Пока-

зано, что время задержки пробоя т и напряженность электрического поля пробоя Ев удовлетворительно описываются соотношениями:

Ji^l (1)

A.L V кТ

Е„ = — In

K,dC„

Л

+ + (2) </Сг a V

где к - постоянная Больцмана; Т- температура окружающей среды; с! - толщина диэлектрика; А = а/кТСцс1, С/. - удельная емкость контактной области, - скорость роста напряженности электрического поля в диэлектрике.

На основе проведенных исследований сделано заключение о перспективности использования пленок оксида самария и иттербия в качестве изолирующих слоев элементов интегральных схем, МДП-варикапов и фотоварикапов.

Четвертая глава "Оптические и фотоэлектрические свойства пленочных оксидов самария и иттербия и полупроводниковых структур на их основе" посвящена комплексному исследованию фундаментальных параметров энергетической зонной диаграммы структур А1-Б1тьОз-81 и А1Л'Ь10з-81, а именно определению высот энергетических барьеров на межфазных границах с диэлектриком.

Приведены основные оптические свойства пленок оксида самария и иттербия, в частности спектральные зависимости коэффициентов пропускания и отражения света диэлектрическими пленками ЗяьОз и УЬ203. Пленки оксидов иттербия и самария в спектральном диапазоне 400 -1200 им обладают высокой прозрачностью, при этом коэффициент пропускания для различных длин волн излучения меняется от 87% до 97 % и от 80% до 94% для пленок оксида иттербия и самария соответственно.

Приведены результаты изучения явления внутренней фотоэмиссии электронов из кремния или металла в диэлектрическую пленку. Из спектральных и воль-таических зависимостей фотоинжекционного тока определены высоты энергетических барьеров на межфазной границе с диэлектриком, значения которых сведены в таблицу.

Таблица

Высота потенциального барьера структур Ме-УЬ20з- и Ме-Бт 2О3-

Диэлектрик Высота потенциального барьера 5ьо, эВ

А1 Ni n-Si p-Si

Sm2Oi 2.88-2.91 3.28-3.33 2.69-2.71 2.70 -2.71

Yb;0.3 2,89-2.90 3,29-3,31 3,18 - 3,20 3,19-3,21

Установлено, что при положительном напряжении на металлическом электроде наблюдается 'фотоэмиссия электронов из кремния. Дырочная эмиссия из металла в этом случае пренебрежимо мала, т. к. при этой полярности смещения пороговая энергия фотонов не зависит от материала полевого электрода и при протекании фототока через диэлектрик захватывается отрицательный заряд на глубокие ловушки диэлектрика. При отрицательной полярности приложенного напряжения пороговая энергия фотонов зависит от материала полевого электрода, и в диэлектрическом слое также накапливается отрицательный заряд.

Экспериментально установлено, что фотоинжекционный ток, протекающий через МДП-структуру, при электрических полях, больших 105 В/см, описывается выражением:

/Ф =А<Ъу-£ь0+кУ/2)\ (3)

где £),о - высота потенциального барьера при нулевом электрическом поле в диэлектрике, к - коэффициент Шоттки, - падение напряжения в диэлектрике, А - коэффициент, зависящий от к к

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облучения определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пленке. Установлено, что диэлектрические пленки накапливают электрический заряд при облучении структур монохроматическим светом и одновременном воздействии внешнего поля. При этом величина захваченного заряда монотонно увеличивается с ростом приложенного напряжения и времени облучения и имеет тенденцию к насыщению при больших временах облучения. Установлено, что величина захваченного в диэлектрике эффективного заряда на порядок меньше заряда, прошедшего через структуру.

Пята» глава "Исследование параметров активных центров захвата заряда в диэлектрических слоях из оксидов РЗЭ" посвящена определению "центроида" захваченного заряда, энергетической глубины залегания электронных ловушек в диэлектрической пленке, сечения захвата и плотности электронных ловушек, изучению распределения объемной плотности заряда, захваченного в диэлектрике при облучении структур монохроматическим светом с Ьу<Е6, а также из области фундаментального поглощения диэлектрика.

Методом вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока определены параметры захваченного заряда. Установлено, что фотоинжектированные электроны частично захватываются на глубокие центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вблизи середины диэлектрика при фотоинжек-нпи электронов как из металла, так и из полупроводника. Сечение захвата и плот-

ность электронных ловушек в диэлектрической пленке из оксида иттербия равны 3,5■ 10'19 см2 и 1,6-Ш12 см'2 соответственно.

При протекании фотоинжекционного тока через диэлектрик в структурах А1-УЬ20з-51 и А1-Бт20з-81 наблюдался захват части инжектированных электронов на глубокие центры диэлектрической пленки. Для определения энергетической глубины залегания электронных ловушек в диэлектрике использовался метод фотостнму-лированной деполяризации. При этом МДП-структура после фотополяризации закорачивалась на электрометр при отсутствии внешнего напряжения и измерялись спектральные зависимости фототока деполяризации при энергиях фотонов меньших высоты энергетических барьеров на границе пленки ОРЗЭ. В этом случае на спектральных зависимостях фототока после фотополяризации появляется пик фототока, которого не наблюдалось до заряжения диэлектрика, с амплитудой, уменьшающейся при повторных измерениях. Наблюдаемое явление обусловлено тем, что данный фототок связан с фотовозбуждением захваченных электронов из ловушек в зону проводимости диэлектрика и дрейфом их под действием встроенного электрического поля. При повторном измерении этих зависимостей степень заполнения электронных ловушек уменьшается и величина пика фототока оказывается меньше. После полного фотоопустошения электронных ловушек пик фототока исчезает, а ВФХ принимает исходное до фотополяризации положение. Последний результат подтверждает, что при облучении структур светом при определенных условиях происходит захват электронов на глубокие ловушки в диэлектрике и фотостимулирован-ное опустошение их. Из спектральных зависимостей пика фототока установлено, что электронные центры захвата располагаются почти в середине запрещенной зоны УЬ203 и ЗшзОз, на расстоянии 2.4 - 2.7 эВ и 2.25 - 2.6 эВ соответственно от дна зоны проводимости диэлектрика. Величины плотности захваченного заряда в оксиде иттербия, рассчитанные из кинетических зависимостей фототока разрядки, лежали в пределах (1.8 -1.9)-10* Кл/ см2. Проведенные исследования показывают, что метод фотостимулированной деполяризации, наряду с хорошо известными методами термостимулированной деполяризации является перспективным для исследования зарядовых свойств МДП-структур, связанных с захватом электронов в диэлектрике.

По сдвигу вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока до и после облучения структур монохроматическим светом получено пространственное распределение захваченного заряда в диэлектрической пленке вблизи межфазных границ раздела фаз БьОРЗЭ, А1-ОРЗЭ при облучении структур А1-5т20з-51 и А1-УЬ20з-81 монохроматическим светом. Установлено, что объемная плотность захваченного заряда в 4-10 раз больше в объеме диэлектрической пленки, чем вблизи границы раздела БьОРЗЭ, что свидетельствует о высоком качестве границы раздела БьОРЗЭ.

Исследованы закономерности формирования заряда в ОРЗЭ кремниево! МДП-структуры при воздействии УФ-излучения. Установлено, что зависимосп сдвига напряжения плоских зон от времени облучения имеют сублинейный вид При больших временах облучения эти характеристики имеют тенденцию к насыщению. Причем скорости накопления электронов при положительных и отрицателе ных напряжениях под действием излучения с Ь\'=5,52 эВ близки по величине. Проведенные исследования показывают также, что величина захваченного заряда и сдвига напряжения плоских зон пропорциональна приложенному к структуре напряжению. По мере накопления электрического заряда на ловушках в объеме диэлектрика исследованных структур напряженность электрического поля в пленке ОРЗЭ уменьшается, что приводит к насыщению величины накопленного заряда при больших временах облучения, что и наблюдалось экспериментально. Увеличение прикладываемого напряжения приводит к снижению высоты потенциального барьера на границе диэлектрика и возрастанию напряженности электрического поля в диэлектрике, которые вызывают рост числа фотоинжектированных электронов и величины захваченного заряда.

Накопленный при облучении заряд сохраняется в диэлектрике при комнатной температуре после выключения освещения и питающего напряжения практически без заметной релаксации более 2-х часов. Однако, захваченный на глубокие ловушки диэлектрика заряд рассасывался при облучении структуры А)- УЪгОз-Б! светом с энергией Ьу=2,65 эВ, которая соответствует энергетической глубине залегания электронных ловушек в диэлектрической пленке УЬ203. "Центроид" захваченного заряда после облучения структур монохроматическим излучением с Ьу=5,21 эВ и Ьу=5,52 эВ в течение 60 минут для структур с оксидом самария и иттербия соответственно располагался на расстоянии 0,11 - 0,12 мкм и 0,125 - 0,13 мкм.

Параметры и характеристики исследованных образцов и центров захвата в них хорошо воспроизводимы, стабильны и не деградируют во времени.

Рассмотренные эффекты свидетельствуют о возможности использования исследованных систем для создания на их основе приборов с репрограммируемой оптической записью информации и устройств визуализации УФ-изображений.

Заключение содержит следующие результаты и выводы:

1. Изучен механизм электропроводности с диэлектрическими пленками из оксида самария и иттербия кремниевых МДП-структур. Установлено, что энергия активации проводимости пленки оксида иттербия монотонно уменьшается от 1,1-1,3 эВ до 0,86-0,9 эВ с ростом электрического напряжения от 2 до 5 В, а электропроводность кремниевых МДП-структур с диэлектрическими пленками 5т203 и УЬ203 удовлетворительно описывается механизмом Пула-Френкеля.

2. Из ВАХ на постоянном токе определены величины высокочастотной диэлектрической проницаемости пленок оксида самария и иттербия, которые соответственно равнялись 8,9 и 7,4.

3. Методом вольтфарадных характеристик МДП-структур определены величины фиксированного заряда в диэлектрике и эффективной плотности поверхностных состояний. Плотность поверхностных состояний в МДП-структурах с оксидом самария не превосходит (3-3,6 )-1010 эВ''-см"2, а с оксидом иттербия -(2,5-4) -10" эВ"'-см"2.

4. Показано, что удельная емкость диэлектрика и коэффициент перекрытия емкости для исследованных образцов более чем в 3 раза превосходят такие же параметры широко распространенных аналогичных кремниевых МДП-систем с диэлектриком из двуокиси кремния.

5. Установлено, что исследованные образцы перспективны для изготовления фото-варакторов с коэффициентом перекрытия емкости по свету для МДП-структур с диэлектрической пленкой из оксида самария равным 2,5 и 4 при уровнях освещенности, составляющих 4,3-10 и 3-104 лк соответственно. Для структур с оксидом иттербия эти величины равнялись1,5 и 3. Показано, что значения tg 5 и активной составляющей проводимости МДП-структур слабо зависят от освещения.

6. Методом кинетических зависимостей МДП-емкости определены значения скорости поверхностной генерации носителей заряда для различных образцов на границе раздела кремний-оксид РЗЭ, которые составили 20-50 см/с для структур с оксидом самария, а для структур с оксидом иттербия - 11-60 см/с. Значения скорости поверхностной генерации в исследуемых структурах более чем на порядок меньше аналогичного параметра в таких же кремниевых МДП-структурах с термическим оксидом кремния в качестве диэлектрика. Установлено, что наилучшими электрическими характеристиками обладают МДП-структуры, диэлектрические пленки в которых изготовлены термическим окислением металлических слоев РЗЭ при температуре 500° С.

7. Показано, что процесс установления равновесия в ОПЗ при нестационарном обеднении поверхности полупроводника происходит путем термической генерации электронно-дырочных пар на поверхности и в ОПЗ полупроводника. Величина энергии активации генерационных центров лежит в пределах 0,4-0,43 эВ.

8. Изучены основные закономерности электрического пробоя пленок оксида самария. Установлено два участка на кинетической характеристике пробоя. На первом участке, при малых скоростях нарастания напряжения Ку=10-105 В/с, поле пробоя линейно увеличивается с ростом логарифма Ку и пробой имеет кинетический характер, который связан с накоплением критического заряда в приконтактнон области диэлектрика. На втором участке, при Ку >Юб В/с величина электрического поля пробоя не зависит от Ку и пробой носит "критический" характер. Показано, что величина пробивного поля линейно уменьшается с ростом температуры окружающей среды, причем наклон температурной характеристики снижается с увеличением скорости роста приложенного напряжения.

9. Методом внутренней фотоэмиссии носителей заряда в диэлектрик впервые onj делены высоты энергетических барьеров на межфазных границах Al-SirbCb (2,5 2,91 эВ), Si-Sm203 (2,70-2,72 эВ), Ni-SnvA (3,29-3,33 эВ), Al-Yb203 (2,9-2,92 э] Si-YbA (3,18-3,21 эВ), Ni-Yb203 (3,3-3,32 эВ).

10. Установлено, что диэлектрические пленки из оксида самария и иттербия в кре ниевых МДП-структурах накапливают отрицательный электрический заряд при с лучении структур монохроматическим видимым и УФ-излучением при однов}: менном воздействии внешнего поля. Показано, что величина захваченного заря увеличивается с ростом приложенного напряжения и имеет тенденцию к насыш нию при больших временах облучения. Установлено, что величина эффективно заряда, захваченного в диэлектрике на порядок меньше заряда, прошедшего чер структуру.

11. Из сдвига вольтаических зависимостей фотоинжекционного тока после облуч ния впервые определены параметры электронных ловушек в диэлектрической пле ке. Установлено, что фотоинжектированные электроны захватываются на глубок! центры диэлектрика, причем "центроид" захваченного заряда располагается вбли: середины диэлектрика. Сечение захвата и плотность электронных ловушек в д] электрической пленке оксида иттербия равны 3,5-10"|9см2 и 1,610|2см'2 соо' ветственно.

12. Методом фотостимулированной деполяризации установлено, что электронны центры захвата располагаются почти в середине запрещенной зоны диэлектрик Yb203 и Sm203, на расстоянии 2,4-2,7 эВ и 2,25-2,6 эВ соответственно от дна зон) проводимости диэлектрика.

13. На основе проведенных исследований указаны возможности использовани пленок оксидов РЗЭ и МДП-структур на их основе в качестве МДП-варикапов и фо товарикапов с высоким коэффициентом перекрытия емкости. Показана перспектив ность использования исследованных систем для создания на их основе приборов i репрограммируемой оптической записью информации и визуализации УФ изображений, использования их в качестве высокочувствительных фотопрнемни ков, а также слоев исследованных ОРЗЭ в качестве изолирующих и пассивирующго покрытий.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рожков В.А., Гончаров В.П., Трусова А.Ю., Бережной И.Г., Македошин Е.Ю. Кремниевые варикапы и фотоварикапы с диэлектриком из оксидов редкоземельных элементов // Тез. докл. Российской научно-технической конф. " Новые материалы и технологии". - М., 1994. - С. 53.

2. Рожков В.А., Трусова АЛО., Гончаров В.П., Бережной И.Г. МДП- варикапы и фотоварикапы на основе структуры Al-SmiOj-Si. - ЖТФ, 1995. - Т. 65, вып. S. - С. 183186.

3.Рожков В.А., Гончаров В.П., Трусова АЛО. МДП варикапы и фотоварикапы на основе структуры AI-LibOj-Si. - Письма в ЖТФ, 1995. - Т. 21, вып. 2. - С. 6-10.

4. Rozhkov V.A., Petrov АЛ., Goncharov V.P., Trusova A.Yu. Electrical Breakdown of Rare Earth Oxide Insulator Thin Films in Silicon MIS Structures // Conference Proceedings 1995 IEEE 5 International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, Leicester, England, 1995.-P. 418-422.

5. Rozhkov V.A., Goncharov V.P., Trusova A.Yu. Electrical and Photoelectrical Properties of MIS Structures with Rare Earth Oxide Films as Insulator. // Conference Proceedings 1995 IEEE 5 International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, Leicester, England, 1995.-P. 552-555.

6. Бережной И.Г., Гончаров В.П., Рожков В.А., Трусова АЛО. Кремниевые МДП-варикапы с диэлектриком из оксида самария, иттрия и лютеция: Межвузовский сборник научных статей "Электродинамика слоисто-неоднородных структур СВЧ" -Самара: СамГУ, 1995. - С. 82-88.

7. Рожков В.А., Трусова А.Ю., Бережной И.Г. Электрофизические свойства МДП-структуры Al-Sm203-Si при нестационарном истощении поверхности полупроводника основными носителями заряда. - Вестник Самарского государственного университета, 1996. № 2.- С. 113-121.

8. Бережной И.Г., Рожков В.А., Трусова АЛО. Электрофизические свойства кремниевых МДП-систем с оксидом самария в качестве диэлектрика // Тез. докл. Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков. 24-27 июня 1997 г. - Санкт-Петербург, 1997,- С. 25-26.

9.Рожков В.А., Трусова АЛО. Электрический пробой пленок оксида самария в кремниевых МДП-структурах // Тез. докл. Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков. 24-27 июня 1997 г. - Санкт-Петербург, 1997,-С. 25-26.

10. Рожков В.А., Трусова АЛО., Бережной И.Г. Генерационно-рекомбинационные свойства кремния в МДП-снстемах с диэлектриком из оксидов редкоземельных элементов //Тез. докл. Международной конф. "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" 24-27 июня 1997 г. - Ульяновск, 1997.- С. 103-104.

11. Rozhkov V.A., Trusova A. Yu., Berezhnoy I.G. Photoinjection and Charge Trapping in Dielectric in Silicon MIS-Structures with Rare Earth Oxides // The Dielectrics Society 28"' Annual Conference Charges in Solid Dielectrics . 7-9 April 1997, Darwin College, University of Kent at Canterbury, England. Paper 3.1.

12. Бережной И.Г., Петров А.И., Рожков В.А., Трусова А.Ю. Функциональные св-ства кремниевых МДП-систем с диэлектриком из оксидов редкоземельных элем тов. - Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1997.- Т. 5,- Вып. 3(19).- С. 77-78.

13. Рожков В.А., Трусова А.Ю. Кремниевые металл-диэлектрик-полупроводн! варикапы с диэлектриком из оксида иттербия. - Письма в ЖТФ, 1997. - Т. 23, № 1 С. 50-55.

14. Рожков В.А., Трусова А.Ю. Электрический пробой пленок оксида самарю кремниевых МДП-структурах. - Вестник СамГУ, 1997, № 2(4).- С. 174-181.