Исследование электронных процессов в структурах полупроводник-диэлектрик-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник с туннельно-прозрачным слоем диэлектрика и квазиодномерным электронным каналом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

российская академия наук ФИЗИКО - технический институт имени а.Ф. ИОФФЕ

Рг* 0«

-5 Ш/ т,:

На правах рукописи УДК 621.315.592

осипов владимир юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ ПОЛУПРОВОДНИК - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК и МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК С ТУННЕЛЬНО -ПРОЗРАЧНЫМ СЛОЕМ ДИЭЛЕКТРИКА И КВАЗИОДНОМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ КАНАЛОМ

( 01.04.10. - Физика полупроводников и диэлектриков )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Санкт - Петербург 1994

Работа выполкдзна в Физико - техническом институте- им.

А.Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель : доктор физкко - математических наук

А.Я. Буль.

..Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор Б.В. Царенков, кандидат физико - математических наук Е.Я. Урицкий.

Ведущая организация - Государственный технический уш.^зр-

ситет ( Санкт - Петербург ).

^ащита состоится "3 " Оепи&С^Л.- 1994 г. в часов на заседании специализированного совета

К 003.23.01 при Физико-техническом институте игл А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук Г.С.Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Исследование электронных процессов в кремниевых туннельных и квазиодаомврных структурах в настоящее время представляется исключительно важным.

Интерес к исследованию ВДП диодов, т.д. структур металл -диэлектрик - полупроводник с толщиной диэлектрического слоя менее 50 8," в которых нельзя пренебречь его проводимостью, возник более 20 лет назай и был связан вначале с изучением механизмов токопрохождения, в особенности туннвлирования. В последние годы практический интерес к исследованию такого рода структур с проводящим туннельным диэлектриком (НТДП структур) обусловлен целым рядом обстоятельств. К ним можно отнести: необходимость уменьшения толщины подзатворного диэлектрика ( вплоть до 25 - 30 2 ) в кремниевых полевых транзисторах в связи • с уменьшением длины канала до субмикронных размеров в современных интегральных схемах"; создание МДП транзисторов с туннельным эмиттером, разработку высокоэффективных фотовольтаических преобразователей излучения и фотоприемников, МТДП переключателей и генераторов, работающих на эффекте поверхностно - барьерной неустойчивости.

Исследование туннелирования носителей заряда сквозь промежуточный окисел представляет значительный научный интерес, поскольку вопросы зонной структуры и макроскопического описания окисных слоев толщиной 10 - 40 1, химического состава окисла и переходных слоев остаются до конца не. выясненными.

Исследование свойств кремниевых ГГГДП структур с поликрем-ниевш, а не металлическим электродом представляется более актуальным потому, что структуры с поликремниевым электродом имеют, как правило, более низкую результирующую дефектность и высокую надеггкость. Последнее обусловлено тем, что в первом случае наиболее полно сохраняются свойства выращенных сверхтонких окисных слоев при нанесении затворного электрода вследствие использования для него материала, слабо взаимодействующего с поверхностью диэлектрика.

Структуры высоколегированный р+- поликремния - тушюльно -

прозрачный жисный слой ( толщиной 17 - БО Я ) - р - кремний интересны в связи с тем обстоятельством, что вследствие присутствия в окисле положительного заряда они являются единственными из изотипных структур высоколегированный поликремний - термический окисел - кремний, в которых следует окидать начального обедняющего изгиба зон в кремнии. Такие структуры, следовательно, должны быть во многом аналогичны ЫТДП структурам с обедняющим изгибом зон в области полупроводника.

О начала восьмидесятых годов активно исследуются системы с квазиодномерным электронным газом, т.е. структуры, в которых создается дополнительное ограничение двумерного электронного газа шириной проводящего канала, приводящее к дополнительному квантованию энергетического спектра двумерной электронной подсистемы в направлении поперек канала и возникновению квазиодномерного электронного спектра. Квазиодномерная МДП структура, в которой электронный аккумуляционный канал ограничивается с боков обрат-носмещенными относительно п - подложки р*- областями, наиболее интересна в связи с тем обстоятельством, что изменение напряжения на затворе позволяет менять число носителей в канале, а изменение потенциала боковых р+- электродов позволяет плавно менять ширину проводящего канала. Анализ и расчет такой структуры важен для изучения задачи о характере расширения проводящего канала с ростом напряжения на затворе, т.е. задачи о переходе при сверхнизких температурах от квазиодномерного к двумерному электронному газу с ростом числа носителей в канале.

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик структур высоколегированный р+- поликремний - туннельно прозрачный окисный слой ( толщиной 17 - 50 2 ) - р - кремний при различных параметрах окисных слоев и теоретический расчет кремниевой МДП структуры с квазиодномерным электронным каналом.

При изучении электронных процессов в туннельных ПТДП структурах в качества объектов исследования использовались р+- Б1*~

- р - Б1 - структуры с окислом, выращенным методом низкотемпературного технического окисления кремния, и слоем поликремния, легированным в процессе роста из газовой фазы. Структуры

- б -

были изготовлены сотрудниками НИИ "Электрон" С.К. Бойцовым и Ю.С. Зинчиком.

Анализ полученных в диссертационной работе результатов позволяет следующим образом сфорлулировать основные вшюскмне на защиту положения;-

1. В изотшшых 'структурах р+- поликремний - туннельпо -тонкий SiOp - р - Si с окислом, выращенным методом низкотемпературного (при 700°0) термического окисления кремния, диодный характер В1Х обусловлен начальным обедняющим изгибом зон в р - St , связанны?.! с фиксированным положительным зарядом в окисле, который локализован на расстоянии до 20 2 от границы раздела Si -

sto2 .

2. В структурах р+- поликремний - SiOx - р - St уменьшение туннельной прозрачности окислов с толщинами менее 21 2, выращиваемых методом- термического окисления кремния при 700°С , происходит с ростом времени окисления ( в интервале 1-5 минут ) не только в результате увеличения толщины окисла, но и за счет извинения его состава - увеличения содержания кислорода. ч

3. В изотшшых р+- St* - SiOg - р - St 'структурах вольтамперные характеристики в области ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика носят резко выраженный пороговый характер, что связано с переходом границы раздела р - St - StO2 в состояние обогащения основными носителями. При этом величина протекающего тока имеет степенную зависимость от приращения на-

нряаепля вшлэ напряжения плоских зон.

4. . Появление участка отрицательного дифференциального сопротивления на динамических вольтамперных характеристиках ПТДП структур,- подвергнувшихся предварительному облучению импульсом мекзонного света, связано с перезарядкой ловушек окисла и границы раздела St - SiOr, , захвативших неосновные фотогенерированные носители заряда эквивалентным количеством основных носителей, инкектируелих в окисел при подаче линейно изменяющегося со временам прямого смещения.

5. Эффекта экранирования в МДП структуре с квазиодномерным электронном газом могут быть учтены в рамках приближения сильно неоднородного двумерного электронного газа, в котором вариациои-

ный параме1р " Ъ волновой функции £ (г, Ъ (х)) типа Фэнга -Ховарда в + 2 - направлении является функцией от координаты "х" поперек канала и находится из условия постоянства квазиуровня Ферми в целом по ширине канала и согласования в граничном условии соответствующего распределения концентрации двумерных носителей па(х) с <3/бг- производная! от распределения электростатического потенциала в диэлектрике и полупроводнике.

Научная новизна -работы определяется перечисленными нике основными результатами, полученными впервые:

1. На вольтамперных характеристиках структур р+- Б1*-3102 -р - Б1 с поликремниевым электродом, легированным в процессе роста из газовой фазы, идентифицированы при прямых прижженных смещениях два реаима токопрохондения: область ограничения тока полупроводником и область ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика.

2. Показано, что изменение формы динамической вольтамперной характеристики ПТДП структуры с ростом интенсивности предварительного импульса излучения заданной длительности свидетельствует об увеличении доли ловушек скисла и границы раздела -ЗЮ2, заполненных зарядом неосновных фотогенерированных носителей. Неизменность формы динамической вольтамперной характеристики, начиная с некоторого уровня интенсивности импульса облучения, в свою очередь свидетельствует о полном насыщении ловушек в системе зарядом неосновных носителей.

3. Показало, что переход к термоциклированию в процессе выращивания окисного слоя не приводит к катастрофическому увеличению величины захватываемого в окисле и на границе раздела заряда и, следовательно, числа ловушек в системе.

4. Впервые в отечественной практике исследованы кремниевые туннельные ПТДП структуры, в которых воспроизводимо реализуется сильный спад туннельного тока через окисел с ростом его толщины от 17 до 30 2 ( скорость спада » 6,5 <ЗВ / § ).

5. Аналитически рассчитано распределение потенциалов в МДП структуре с квазиодномерным электронным газом, при этом в расчетах принято во выллание распределение подвижного заряда. Рассчитаны распределения поверхностных зарядоз на металлургических.

границах раздела и интерфейсах структуры. В рамках приближения ■ сильно неоднородного двумерного электронного газа описана процедура установления квазиравновесия по ширине проводящего канала. .

Практическая -значимость работы определяется возможным применением исследованных в работа туннельно - тонких слоев для широкого круга перспективных приборных структур. Вакными, с этой точки зрения, являются следующие результаты:

1. Изотипные туннельные р+- Б1*~ Б10г - р - Б1 - структуры, полученные методом термического (при,700°С) окисления кремния в комплексе с последующим осаждением слоя поликремния, легированного в процессе роста, имеют в случае большой величины встроенного в окисел положительного заряда (0^. > 0,9 - 1,5•10 ''эл./см2) ярко выраженный диодный'характер ВАХ.

2. В результате систематических исследований туннельных характеристик изотипных р+- 310р - р - Б1 структур различных серий, отличающихся лишь временем изготовления, установлено, что технология низкотемпературного термического окисления кремния позволяет воспроизводимо получать туннельные ПТДП структуры с бездефектным промежуточны!,! слоем окисла.

Апробация работы: Основные результаты включенных в диссертацию исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.ИофЕе РАН, на IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" ( Новосибирск,,1988 ), на XI и XII Всесоюзных конференциях по физике полупроводников ( Кишинев, 1988 ; Киев, 1930), на VII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1989), на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), на XXVI Всесоюзном совещании по физике низких температур ( Донецк, 1990), на VI Республиканской научно - технической конференции "Физические проблемы МДП интегральной электроники" (Севастополь, 1990 ), на II Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991). Соответствующие названия тезисов помещены в списке научных публикаций по томе диссертации.

Публикации. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, изложены в 15 публикациях.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Объем диссертации составляет 184 страницы, включая 41 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 120 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

. Во введении обоснована актуальность теш диссертации, приведены положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, дается краткий обзор глав диссертации.

Первая глава -"Литературный обзор и постановка задачи" -является вводной. В ней приводятся основные денные о механизмах токопрохокдения в системе металл - St02 -Si и о характера туннелировашм через промекуточный окисел. В этой главе сообщаются также основные сведения о так называемых МТДП структурах на основных носителях и структурах на неосновных носителях, в которых соответственно доминируют либо туннельные перехода кезду металлом и зоной основных носителей в полупроводнике, либо между металлом и зоной неосновных носителей. Кратко рассматриваются теоретические подходы к описанию туннелирования сквозь Si02 ; по литературным данным обсуждаются причины того, что в ряде экспериментов для носителей, туннелирущих сквозь окисел, наблюдаются более высокие значения туннельных прозрачностей по сравнению с предсказываемыми в рамках двухзонной модели туннелирования. Особое внимание уделяется тому, что спад туннельной прозрачности с толщиной может быть исследован из анализа зависимости фототока короткого замыкания МТДП структуры от толщины окисла. Рассматриваются так называемые эффекты фотопамяти в системе полупроводник-окисел, наблюдаемые при низких температурах. Приводятся некоторые сведения об основных характеристиках двуокиси кремния и границы раздела Si - SiO^,, полученной различными методами. Обсуждается природа поверхностных состояний на границе

- б102 я ловушек в туннально - тонком окисле. Приводятся преимущества метода термического окисления кремния по сравнению с другими методами выращивания Б102. Акцентировано внимание на важности процессов предокислительной подготовки поверхности кремниевых пластин. Большинство из указанных вопросов излагается в результате сопоставления различных сведений из цитируемых литературных источников. Приводится также анализ известных в литературе сведений о кремниевой ЫДП структуре с квазиодномерным каналом, ограниченны?,1! с боков обратносмещенныш р - п - переходами. В заключительном параграфе .главы сформулированы основные задачи исследования.

. Во второй главе- "Вольтамперные и Еольтфарадныв характеристики кремниевых структур БЮ2 - р - Б1 с

туннельно - прозрачным слоем диэлектрика толщиной до 50 2 " -вначале описан- процесс получения методом низкотемпературного термического окисления ( при 700°0 ) сверхтонких окисных слоев толщиной до 60 2 на поверхности (100) р - кремния и способ изготовления структур р+- - БЮ2 - р - с поликремниевым затворным электродом. Приведены основные технологические и геометрические параметры для различных парт! выращенных структур. Обедняющий начальный изгиб зон в р - кремнии связан с положительным : зарядом собственных дефектов окисла, локализованных в основном на расстоянии до 20 2 от границы раздела - Э102. При атом обедняющий изгиб зон в р - кремнии имеет место уже сразу после выращивания термтсеского окисла, т.е. еще до операции нанесения слоя высоколегированного р+- поликремния. По вышеотме-ченным причинам вольтамперные характеристики таких структур имеют диодный характер. Отметим, что в отличие от структур с термическим окислом вольтамперные характеристики р+- - р - - структур, получаемых простил нанесением поликремния на елой естественного II - 12 2 окисла ( образовавшегося на поверхности кремния в результате финишных отмывок кремниевой пластины з перекисно - аммиачном растворе и деионпзованной воде, э тзкке в результате последующего суточного хранения на воздухе), имеют омический характер. Вначале исследуются вольтамперные и Еольтфарадныв характеристики р+- 3102 - р - - структур с

большой величиной напряжения плоских зон в интервале от 620 до 750 мВ. Анализируется температурная зависимость ВАХ в диапазоне от 77 до 293 К. Из обработки этой зависимости определяется зависимость энергии активации проводимости ■ от напряжения прямого смещения, зависимость параметра неидеальносги ВАХ от температуры. Исходя из анализа результатов температурных измерений и сопоставления ВАХ в области црямых приложенных смещений с результатами измерения ВФХ ( в области прямых и обратных смещений ), идентифицируются область ограничения тока полупроводником и область ограниче)аия тока туннельной проводимостью диэлектрика. В области ограничения тока полупроводником ВАХ носят активационный характер с экспоненциальной зависимостью протекающего тока от приложенного смещения и обратной температуры. Экспоненциальное возрастание тока через структуру с ростом прямого смещения обусловлено "разгибанием" начального изгиба зон в р - кремнии при механизме надбарьерной термоактавационной эмиссии, уменьшенной за счет туннельного фактора окисла. В области ограничения тока туннельной проводимостью величина протекающего тока имеет степенную зависимость от приращения напряжения выше напряжения плоских зон структуры и слабо зависит от температуры. ВАХ в области ограничения тока туннельной проводимостью детально^исследуются для различных партий изготовленных структур: как с большой величиной напряжения плоских зон ( 620 - 750 мВ ), Tait и с малой величиной напряжения плоских зон ( 250 - 350 мВ ). Причина резко выраженного порогового характера ВАХ в этой области связана с переходом границы раздала SI - S102 в состояние обогащении основными носителями ( дырка?,m ). Данный факт идентифицировался по совпадению величин отсечек на оси напряжений для прямых ВАХ в координатах 11/2 от У с величинами отсечек на ВФХ обратного смещения в координатах от U . В области ограничения тока туннельной проводимостью прямой ток обусловлен в основном тунне-лированием дырок из аккумуляционного дырочного слоя через окисел в р+ - поликремний, или, что то же самое,прямым туннелированием электронов валентной зоны р+- поликремния в соответствующие пустые ( в области сдоя аккумуляции ) электронные состояния валентной зоны р - кремния. Частично также имеет место процесс тунне-

лирования электронов валентной зоны р+- поликремния через окисел на поверхностные состояния ( внутри запрещенной зоны кремния ) граница раздела SI- S102 с последующей рекомбинацией с дырками аккумуляционного слоя. Исследуется зависимость крутизны БАХ. в этой области токопрохоздения от толщины диэлектрика. Сильный спад туннельного тока с ростом толщины диэлектрика в режиме ограничения тока туннельной проводимостью связан с уменьшением вероятности туннелирования и свидетельствует об относительно высоком качества изготовленных по используемой технологии туннельно -тонких термических окисшх слоев. Так, для серии структур с малой величиной напряжения плоских зон. ток при U = 500 мВ падает в 2340 раз при.увеличении толщины окисла от 17,5 до 27 2, а при U= 1000 мВ - в 1190 раз. Несмотря на то, что падение тока с ростом толщины весьма значительно, оно, тем не менее, меньше теоретического значения: в рамках двухзонной модели туннелирования через диэлектрик увеличение толщины окисла на 2 2 должно приводить к уменьшению вероятности туннелирования носителя заряда в 6,32 -6,50 раза при энергиях в области запрещенной зоны кремния. Это связано либо с присутствием некоторого количества . сквозных отверстий в диэлектрике, либо с отличием состава окисла от стехио-матрического SiO^ . Сдвиг напряжения отсечки на зависимостях 0~г( U ) с ростом толщины диэлектрика связан с небольшим увеличением величины положительного заряда, фиксированного в диэлектрике. Так, для одной из серий изготовленных структур величина напряжения плоских зон изменялась от 620 до 720 мВ с ростом толщины окисла от 20 до 33 2. Эти данные полностью совпадают с "изменением порогового напряжения, определяемого из анализа ВАХ. Исходя из простых теоретических предположений, анализируются возможные причины наблюдаемого квадратичного хода ВАХ в области ограничения тока туннельной проводимостью.

В третьей главе - "Фотоэлектрические процессы в структурах высоколегированный р+- поликреюжй - туннельный окисел - р -кремний и эффекты, связанные с отличием состава окисла от сте-хиометрического" - вначале детально исследуются фотоэлектрические эффекты в изготовленных структурах. Приводятся спектральш-з характеристики фотоотвота ( как в области выше края фундгментал:.-

ного поглощения в 1сремиии, так и в области ниже края фундаментального поглощения ). Сильное возрастание фотоответа при энергиях кванта света, больших 3 эВ,связано с фотоэмиссионными переходами соответствующих носителей через барьер, образованный запрещенной зоной диэлектрика. Анализируется кинетика фототока короткого замыкания, протекающего через структуру при ее облучении прямоугольным импульсом освещенности из области собственного поглощения полупроводника. «Еормкрование прямоугольных импульсов излучения длительностью от 20 до 600 мкс производилось с помощью арсенидогаллиевого светодиода. Полное изучение кинетики протекания фототока осуществлялось по осциллограммам падения напряжения на включаемом параллельно образцу сопротивлении. Экспериментально показано, что характерное время переходного процесса в кинетике фотоотклика в режиме короткого замыкания, определяемое по характеру релаксации емкостного тока, обратно пропорционально интенсивности излучения и связано с накоплением заряда неосновных фотогенерированных носителей на границе раздела р - Б1 -3102. Исследована зависимость стационарного туннельного фототока короткого замыкания от толщины окисла. При максимальной интенсивности излучения светодиода ( мощность излучения 36 мВт ) данный ток наблюдается при Т = 77 К по прошествии 20 - 45 мкс -"переходного процесса, связанного с накиллониэм носителей. Для одной из серий структур величина стационарного фототока падала примерно в 2230 раз при изменении толщины окисла от 17,5 до. 30 2, тогда как максимальная амплитуда емкостного тока, протекающего в первый момент начала импульса излучения, практически не зависела от толщины окисла. В качестве причин не столь резкого спада стационарного фототока короткого замыкания ( и, следовательно, эффективной туннельной прозрачности ) с ростом толщины окисла.приводятся: наличие сквозных отверстий в диэлектрике и отличие состава окисла от стехиометрического Для ряда серий изготовленных структур исследуется зависимость напряжения холостого хода от толщины окисла. Эти данные сопоставляются (для одной из серий структур ) с величинами начального изгиба зон на поверхности полупроводника, найденными из анализа вольтампзрних и вольтфарадннх характеристик. Большие значения величин фотоэдс

в исследуемых структурах при Т = 77 К (от 490 до 720 мВ при изменении толщины окисла от 20 до 33 8 ) подтверждают наличие большого обедняющего изгиба зон в р - кремнии. Для ПТДП структур с одинаковой толщиной диэлектрика строятся зависимости фототока короткого замыкания от напряжения холостого хода. Анализируются такие процессы захвата носителей на ловушки окисла и границы раздела - возникающие при облучении структуры межзонным светом. Количество захватываемого заряда оценивается по результатам измерения динамических ВАХ как до подачи, импульса освещения, так и после, т.е. определяется по площади, ограниченной в координатах "ток - время" мезду кривыми ДВАХ в присутствии предварительного импульса облучения и ДВАХ в отсутствии облучения. ДВАХ наблюдались при Т = 77 К при подаче на образец линейной развертки прямого смещения. Исследуется форма кривых ДВАХ, т.е. форма кривых перезарядки емкости структуры, в зависимости от толщины окисла, длительности и интенсивности импульса предварительного облучения. Изменение формы ДВАХ с увеличением интек-спвности предварительного импульса облучения связано с увеличением числа ловушек, захватавших неосновные фотогзнэрированные носители. При больших импульсах предварительной подсветки на ДВАХ тлеет место учасюк динамического отрицательного дифференциального сопротивления. Данный участок на ДВАХ связан с дополнительным протеканием через измерительную цепь емкостных токов С й и / <3 1 , перезаряжающих ПТДП структуру, и может наблюдаться при осуществлен™ сканирования линейно изменяющимся напряжением спустя длительное время после облучения структуры. В отсутствии предварительной подсеэтки данный участок не наблюдается. Таким образом, при освещении образца импульсом мекзонного света имеет место захват неосновных фотогенерированных носителей ( электронов ) на ловушки окисла и границы раздела - 5(02 . В результате все тлеющиеся в окисле и на границе раздела ловушки оказываются заполненными отрицательным зарядом. Результирующий положительный заряд отела и границы раздела при этом уменьшаются, и соответствующее этой новой величине фиксированного заряда состояние с уменьшенным изгибом зон в р - кремнии кожи т сохраняться при Т = 77 К в течение достаточно длительного

времени. Последующее сканирование прямым линейно изменяющимся смещением осуществляет перезарядку ловуиек током инжектируемых в окисел дырок, т.е. посредством рекомбинации захваченных электронов с инжектируемыми в окисел дырками. После окончания сканирования структура, таким образом, возвращается при Т = 77 К в исходное состояние с большим изгибом зон в р - кремнии. Это подтверждается тем, что при повторном сканировании структуры линейно изменяющимся напряжением участок ОДС уке отсутствует. Приводятся экспериментальные доказательства следующих фактов: I) процесс захвата неосновных фотогенерированных носителей заряда на ловушки окисла и границы раздела - происходит на этапе релаксации протекающего через структуру фототока; 2) величина положительного заряда, перезаряжающего впоследствии ловушки окисла и границы раздела током инжектируемых в окисел дырок, не зависит от скорости развертки прямого смещения и находится примерно на одном уровне с величиной отрицательного заряда, протекающего в цепи на этапе зарядки. При максимальном уровне интенсивности предварительной подсветки определена длительность критического импульса излучения, ншке которой площадь, ограниченная под участком ОДС,- уже уменьшается. Для структур со временами окисления * ^ 10 мин. и толщиной окисла <3 < 22,6 § участок 0Д0 на ДВДХ после предварительного освещения отсутствовал. В то л:е время имеет место очень небольшой уровень емкостных токов перэ-зарядки, что связано с малой величиной захватываемого в системе заряда. Увеличение времени окисления при X > 10 мин. приводит к возникновению и дальнейшему расширении участка ОДС, после чего в интервала 80 - 490 мин, т.е. для структур с толщиной окисла в диапазона 31 - 54,5 2, форма участка ОДС меняется не слишком сильно. Для окислов толщиной от 33 до 54,5 2 величина захватываемого заряда и, следовательно, число ловушек практически не зависят от толщины ( для структуры с толщиной окисла й 27 2 поверхностная концентрация захваченного заряда составляет 3,09 • 10**см~2 ). С другой стороны, зто означает, что в используемой технологии переход к термоциклированшо при выращивают окислов толщиной от 33 до 54,5 2 не приводит к катастрофическому росту захватываемого в системе заряда, как это можно было бы априорно

предположить. Исходя из. анализа уровня токов насыщения на ДВДХ структур с толщиной диэлектрика от 27 до 54 2, осуществляется анализ емкости слоя окисла. Для одной из серий структур исследуется зависимость эффективной туннельной прозрачности окисла от его состава. Экспериментально продемонстрировано, что для ПТДП структур с одинаковой толщиной окисла, но отличающихся лишь временем окисления в интервале от I до 5 мин., уменьшение туннельного тока через окисел связано с уменьшением избытка недо-окисленного кремния в окисле. ■

В четвертой главе - "Расчет ИДИ структуры с квазиодномерным электронным газом"- вначале рассчитывается начальное распределение потенциала в структуре без учета влияния подвижных носителей в канале. Для этого согласованно решаются двумерные уравнений Лапласа в области подзатворного диэлектрика и уравнение Пуассона в гс - области "полупроводника, ограниченной с боков обратносме-щешшми относительно тг - подложки р+ - областям. Минимум потенциала имеет место на границе раздела п - Б1 - БЮ^ в точке посередине канала. В больцмановской статистике вычислялось распределение подвижного электронного заряда в окрестности минимума потенциала в п - области. Далее рассчитывалась поправка к распределению потенциала, связанная с учетом влияния подвижного заряда электронного аккумуляционного шнура, вычисленного в начальном потенциале. Решение соответствующего двумерного уравнения Пуассона осуществлялось по методу Гринберга. В результате применения теоремы Гаусса - Остроградского для всей системы произведен полный анализ распределения зарядов в структуре. Показано, 4то в подпороговом режиме избыточный отрицательный заряд, выступающий в р+- областях на обеих границах боковых "сжимающих" р+- п - переходов, быстро затухает в 2 - направлении в глубь кристалла кремния. При этом интегральная величина этого отрицательного избыточного заряда в точности равна величине интегрального положительного заряда, выступающего на металле затвора в области металлургической ширины канала. В подпороговсм режиме распределение этого положительного заряда на границе металл - окисел неоднородно по металлургической парино канала ( вдоль х - направле-тт ) и имеет минимум посередине. Оценена величина электронного

подвижного заряда,при котором ширина проводящего канала близка к металлургической, т.е. к максимально возможной. Показана возможность удовлетворительного описания системы в рамках приближения сильно неоднородного двумерного электронного газа. В качестве болновой вариационной функции мокет быть использована волновая функция типа Фэнга - Ховарда £ (г, Ь) , в которой вариационный параметр " Ь (х) " является функцией от координаты " х ". Описание такой системы сводится к отысканию функции Ь (х) и функции распределения эффективной двумерной, концентрации носителей п„( х ), которые не только удовлетворяют граничным условиям для й/ йг - производных от потенциала в области окисла и п- кремния, но и обеспечивают постоянство квазиуровня Ферми для электронов в целом по ширине сверхузкого канала. . ' ,

Выводы диссертационной работы приведены в конце каздой главы, содержащей результаты оригинальных исследований ( главы II -IV ). В "Заключешта" кратко резжируются выводы этих глаз. Проведенные экспериментальные исследования электронных и фотоэлектрических процессов в кремниевых ПТДП структурах позволили детально отработать методику воспроизводимого изготовления туннельных структур р+- 31* - Б102 - р - Б1 с высоким качеством промежуточного сверхтонкого окисла.

Оценка качества окислов в выращенных ПТДП структурах осуществлялась по характеру спада туннельного тока с ростом толщины диэлектрика.

При исследовании физических явлений в ПТДП структурах. обнаружено, что пороговый характер ВЛХ-в области ограничения тока туннельной проводимостью при прямых приложенных смещениях связан с переходом поверхности полупроводника в состояние обогащения основными носителями. Обнаруаено, что в технологии выращивания окисла методом низкотемпературного термического окисления поверх-ностл кремния в ряде случаев спад туннельной прозрачности окисла с ростом времени его окисления обусловлен не увеличением толщины окисла, а изменением соотношения мезду кошонэнтами его состава.

Проведенный расчет распределена потенциалов в МДП структуре с кзазиодномерным каналом (в том число и с учетом влияния ■

поданного заряда), исследование баланса зарядов в системе, анализ приближения сильно неоднородного двумерного электронного газа позволили определить основные параметры такой структуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Буль А.Я., Зинчик Ю.С., Козырев О.В., Осипов В.Ю..Санин К.В., Шмарцев Ю.В. Проводимость "сжатых" аккумуляционных каналов кремниевых ВДЩ структур- - II Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников ". Новосибирск, 1988 г. Тезисы докладов. 4.1. 0.100 - 101.

2. Осипов В.Ю., Буль А.Я., Зинчик Ю.С., Козырев С.В.,Санин К.В., Шмарцез Ю.В. К вопросу реализации квазиодномерных аккумуляционных каналов кремниевых ЦЩ1 структур.- XI Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Кишинев, 1938 г. Тезисы докладов. Т. 2. . С. 87 - 88.

3. Козырев О.В., Осипов В.Ю. Задача двумерного нелинейного экранирования в расчете параметров электронного шнура квазиодномерной МДП структуры. - I Всесоюзная конференция "Физические основы твердотельной электроники". Ленинград, 1989 г. Тезисы докладов. Т. А. . С. 274 - 275.

4. Вуль А.Я., Козырев C.B., Осипов В.Ю., Шмарцев Ю.В. К вопросу о переходе квази - Ш - 2М в проводимости узких аккумуляционных МДП каналов, ограниченных ОГО.- VII Всесоюзный симпозиум " Плазма и неустойчивости в полупроводниках ". Паланга, 1989 г. Тезисы докладов. Ч. I. G. 118 - 120.

5. Козырев C.B., Осипов В.Ю. Квазиодномерный МДП канал для сла-болокализованных носителей. - XXVI Всесоюзное совещание по физике низких температур, Донецк, 1990 г. Тезисы докладов. Т. з . с. ПО - III.

6. Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., Осипов В.Ю., Бойцов С.К., Зинчик Ю.С. Механизмы токопрохоядения в кремниевых 1Щ1 структурах со сверхтонким диэлектриком. - VI Республиканская научно - техническая конференция "Физические проблемы МДП интегральной электроники". Севастополь, 1990 г. Тезисы докладов. С. 46.

7. Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., Осипов В.Ю., Бойцов С.К.,

Зинчик Ю.С., Макарова Т.Л. Процессы токопереноса в структурах саоликремний - туннельно - прозрачный диэлектрик - кремний. -XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Киев, 1990 г. Тезисы докладов. Ч. 2. С. 131 - 132.

8. Козырев C.B., Осипов В.Ю. Расчет МДП структуры с квазкодно-мерныы электронным газом.- ЖТФ, 1990, Т.60. В.Ю. С. 69 - 74.

9. Бойцов O.K., Буль А.Я., Дидейкин А.Т., • Зинчик Ю.С., Осипов В.Ю., Макарова Т.Л. Процессы токоцрохоадения сквозь туннельно - прозрачный диэлектрик ПТДП структуры. - ФТТ, 1991, Т. 33, В.6., С. 1784 - 1791.

10. Бойцов O.K., Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., Зинчик Ю.С., Осипов В.Ю., Макарова Т.Л. Кинетика фотоответа в р+- Si*-Sí02 - р - SI - ПТДП структурах с промежуточным туннельно -прозрачным слоем диэлектрика. - II Всесоюзная конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ашхабад,

1991 г. Тезисы докладоз, С. 261.

11. Козырев C.B., Осипов В.Ю. К расчету МДП структуры с квазиодномерным электронным газом. - ЖТФ, 1992, Т. 62, B.I, С. 9

17.

12. Вуль А.Я., Макарова Т.Л., Осипов В.Ю., Зинчик Ю.С., Бойцов O.K. Кинетика окисления кремния и структура окисных слоев тащиной менее 50 2.- ФТП, 1992, Т. 26. В. I, С. Ill - 121.

13. Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., Осипов В.Ю., Бойцов O.K., Зикчик Ю.С, Макарова Т.Л. Вольтамперные и вольтфарадше характеристики кремниевых ЦВД структур с толщиной диэлектрика менее 50 2. - ФТП, 1992, Т. 26, В. I, С. 146 - 149.

14. Бойцов С.К., Макарова Т.Л., Осипов В.Ю. К вопросу о туныели-ровании сквозь промежуточный (19-50 2) окисный слой кремниевой ПТДП структуры.- ФТТ, 1992. Т. 34. В. 5. С. 1475 - 1482.

15. Бойцов-С.К., Осипов В.Ю., Макарова Т.Л. К вопросу о туннели-ровании сквозь промежуточный (17-30 2) окисный слой кремниевой ПТДП структуры. - Микроэлектроника, 1993. Т. 22. В. 5. С. 86 - 94.

РТЛ ШГО,. зак.2С8, тир.100, уч.-пзд.л.1;3/У-199-1г.

Бесплатно