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 ФМЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.Ф. И0$ФЕ

На правах рукописи УДК 621.315.592

ОСИПОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ИССВДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ ПОЛУПРОВОДНИК - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК и МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК С ТУННЕЛЬНО -ПРОЗРАЧНЫМ СЛОЕ!.! ДИЭЛЕКТРИКА И КВАЗИОДНШЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ КАНЫОМ

( 01.04.10. - Физика полупроводников и диэлектриков )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Санкт - Петербург 1994

Работа выполнена в Физико - техническом институте им. А.Ф. Иоффе' РАН,

Научный руководитель : доктор физико - математических наук

A.Я. Буль.

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор Б.В. Царенков» кандидат физико - математических наук

B.Я. Урицкий.

Ведущая организация - Государственный технический ушшзр-

ситет : ( Санкт - Петербург ).

- Защита состоится «3 " смил^уЛ- 1994 г. в

/у часов на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург,'Политехническая ул., 26.

С 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 теш: Исследование электронных процессов в кремниевых туннельных и квазиодномерных структурах в настоящее время представляется исключительно важным.

Интерес к исследованию МДП диодов, т.§. структур металл -диэлектрик.- полупроводник с толщиной диэлектрического слоя менее 50 2/ в которых нельзя пренебречь его проводимостью, возник более 20 лет назад и был связан вначале с изучением механизмов токопрохоздения, в особенности туннелирования. В последние года практический интерес к исследованию такого рода структур с проводящим туннельным диэлектриком (МТДП 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 субшкронных 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 химического состава окисла и переходных слоев остаются до конца не. выясненными.

Исследование свойств кремниевых ПГДП' структур с поликрем- . ниевым, а не металлическим электродом представляется более актуальны*I потому, что структуры с шшкремниевнм электродом имеют, как правило, более низкую результирующую дефектность и высокую надежность. 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+- поликремний - туннольно -

прозрачный экисный слой ( толщиной 17 - 60 2 ) - р - кремний интересны в связи с. тем обстоятельством, что вследствие присутствия в окисле положительного заряда они являются единственными из изотопных структур высоколегированный полтсреший - термический окисел - кремний, в которых следует ожидать начального обедняющего изгиба зон в кремнии. Такие структуры, следовательно, должны быть во многом аналогичны МТДП структура! с обедняющим изгибом зон в области полупроводника. .

О начала восьмидесятых годов активно исследуются системы' с квазиодашершм 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 - подложи 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 1ГГДП структурах в качестве объектов исследования использовались р+~

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

- б -

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

Анализ полученных в диссертационной работе результатов позволяет следующим образом сформулировать основные выносимые на защиту положения;-

1. В изотипних 'структурах р+- поликрэмшй - туннельш -тонкий Si02 - р - Si с окислом, выращенным методом низкотемпературного (при' ?00°С) термического окисления кремния, диодный характер ВАХ обусловлен начальным обедняющим изгибом зон в р - St , связанным с фиксированным полокительнкм зарядом в окисле, который локализован на расстоянии до 20 2 от границы раздела St -Si02 .

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 изменения его состава - увеличения содержания кислорода.

3. В изотипных р+- Si* - Si Op - 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 - S102 в состояние обогащения основными носителями. При этом величина протекающего тока имеет степенную зависимость от приращения напряжения выше напряжения плоских зон.

4. . Появление участка отрицательного дифференциального сопротивления на динамических вольтамперных характеристиках ПТДП структур,, подвергнувшихся предварительному облучению импульсом ибйзошгаго света, связано с перезарядкой ловушек окисла и границы раздела Si - Si02 , захвативших неосновные фотогенерированные носители заряда. эквивалентным количеством основных носителей, инжектируемых в окисел при подаче линейно изменяющегося со временем прямого смещения.

5. Эффекты экранирования в МДП структуре с квазиодномерным электронный газом могут быть учтены в рамках приближения сильно неоднородного двумерного электронного газа, в котором вариецион-

ный параметр " Ь3,1 волновой функции £ (г, Ъ (х)) типа Фэнга -Ховарда в + г - 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 тг3(х) с 6/йг- производными от распределения электростатического потенциала в диэлектрике и полупроводнике.

Научная новизна работы определяется перечисленными ниве основными результатами, полученными впервые:

1. На вольтамперных характеристиках структур р+- Б1*-Б 102 -р - 51 с поликремниевым электродом, легированным в цроцессэ роста из газовой фазы, идентифицированы при прямых приложенных смещениях два режима токопрохоздения: область ограничения тока полупроводником и область ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика.-

2. Показано, что изменение формы динамической вольтамперной характеристики ГГГДП структуры с ростом интенсивности предварительного импульса излучения заданной длительности свидетельствует об увеличении доли ловушек окисла и границы раздела Б1 -5Ю2. заполненных зарядом неосновных фотогенерироваяннх 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. Показано, что переход к термоциклированию в процессе выращивания окисного слоя не приводит к катастрофическому увеличении 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 сШ / 8 ).

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

рашщах раздела и интерфейсах структуры. В рамках приближения ¡ильно неоднородного двумерного электронного газа описана про-;едура установления квазиравновесия по ширине проводящего кана-

Практическая -значимость работы определяется возможным [рименением исследованных в работе туннельно - тонких слоев для ирокого круга перспективных приборных структур. Важными, с этой •очки зрения, являются следующие результаты:

1. Йзотипше туннельные р+- ЗЮг - р - - структуры, голученные методом термического (при,700°0) окисления кремния в :ошлексе с последующим осаждением слоя поликремния, легирован-гого в процессе роста, имеют в случае большой величины встроен-юго в окисел положительного заряда ^ 0,9 - 1,5«101<'эл./см2) фко выраженный диодный'характер ВАХ.

2. В результате систематических исследований туннельных ха-тктерпсткк изотипных р+- Б10? - р - структур различных ¡ерий, отличающихся лишь временем изготовления, установлено, что ■ехиолагия низкотемпературного термического окисления кремния юзволяет воспроизводимо получать туннельные ПТДП структуры с ¡ездефектным промежуточным слоем окисла.

Апробация -работы: Основные результаты включенных в щссертацшо исследований докладывались и обсуждались на научных ¡еминарах в ФГИ им. А.Ф.Иоффе РАН, на IX Всесоюзном симпозиуме 'Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях галупроводников" ( Новосибирск,.1988 ), на XI и XII Всесоюзных сонфарэнциях по физике полупроводников ( Кишинев, 1988 ; Киев, [990), на VII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в голупроводниках" (Паланга, 1989), на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), ш XXVI Всесоюзном совещании по физике низких температур ( Донецк, 1990), на VI Республиканской научно - технической конференции "Физические проблемы ВДП интегральной электроники" (Се-застополь, 1990 ), на II Всесоюзной конференции по фотоэлектри-шским явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991). Соответствующе названия тезисов помещены в списке научных публикаций по тепе 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 данные о механизмах токонрохокдения в система металл - SW2 - Si и о характере туннелирования через промежуточный 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 переходы между металлом и зоной основных носителей в полупроводнике, либо между металлом и зоной неосновных носителей. Кратко рассматриваются теоретические подхода к описанию туннелирования сквозь Si02 ; по литературным данным обсуждаются причины того, что в ряде экспериментов для носителей, туннелирующих 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 мокет 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 St - Si02, полученной различными методами. Обсуадается природа поверхностных состояний на границе

21 - 3102 и ловушек а туннельно - тонком окисле. Приводятся преимущества метода термического окисления кремния по сравнению с другими методами; выращивания Акцентировано внимание на

важности процессов предокислительной подготовки поверхности кремниевых пластин. Большинство из указанных вопросов излагается в результате сопоставления различных сведений из цитируемых литературных источников. Пршодится также анализ известных в литературе сведений о кремниевой МДП структуре с квазиодномерным каналом, ограниченным с боков обратносмещенными р - п - переходами. В заключительном параграфе .главы сформулированы основные задачи исследования.

■ Во второй главе- "Вольтамперные и Еольтфарадныо

харак1 эристики кремниевых структур р+- БЮ2 - р - с

туннельно - прозрачным слоем диэлектрика толщиной до 50 2 " ~

вначале описан- процесс получения методом низкотемпературного

термического окисления ( при 700°С ) сверхтонких окиеннх слоев

толщиной до 60 2 на поверхности (100) р - кремния и способ нз-

+ £

готовлегош структур р - 5 г, - Б102 - р - с поликремшгевым затворным электродом. Приведены основные технологические и гео-гетрические параметры для различных партий выращенных структур. Медаящий начальный изгиб зон в р - кремнии связан с положительным : зарядом собственных дефектов окисла, локализованных з ос-ювном на расстоянии до 20 2 от границы раздела - ЗЮ2. При этом обеднящий изгиб зон в р - кремнии имеет место уже сразу гаслэ выращивания термического окисла, т.е. еще до операция на-гесения слоя высоколегированного р+- поликремния. По вшеотме-юншгм причинам вольтамперные характеристики таких структур игле- ■ зт диодный характер. Отметим, что в отличие от структур с терми-юскш окислом вольтамперные характеристики р+- 51*- БЮ2 - р • 31 - структур, получаемых простым нанесением поликремния на !Лой естественного II - 12 2 окисла ( образовавшегося на поЕерх-юсти кремния в результате финишных отмывок кремниевой пластины I перекисно - аммиачном растворе и депонизованной воде, э также I результате последующего суточного хранения на воздухе), имеют ■мичесютй характер. Вначале исследуются вольтамперные и вольт-арадаые характеристики р+- Б1*~ 3{02 - р - 54 - 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 неидеальности ВАХ от температуры. Исходя из анализа результатов температурных измерений и сопоставления ВАХ в области прямых прилокенннх смещений с результата ми измерения ВФХ ( в области прямых и обратных смещений ), идентифицируются область ограничения тока полупроводником и область ограничения тока туннельной проводимостью диэлектрика. В области ограничения тока полупроводником ВАХ носят активационнШ 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 механизма надбарьерной термоактивационной эмиссии, уменьшенной за счет туннельного фактора окисла. В области ограничения тока туннельной проводимостью величина протекающего тока тлеет степенную зависимость -от.приращения напряжения выше напряжения плоских, зон структура и слабо зависит от температуры. ВАХ в облает; ограничения тока туннельной проводимостью детально.исследуются для различных партий изготовленных структур: как с большой величиной напряжения плоских зон { 620 - 750 мВ ), так и с малой ве личиной напряжения плоских зон ( 250 - 350 мВ ). Причина резко выраженного порогового характера ВАХ в этой области связана с переходом границы раздела - в состояние обогащения ос новными носителями ( дырками ). Данный факт идентифицировался п совпадению величин отсечек на оси напряжений для прямых ВАХ в координатах 11/г от О с величинами отсечек на ВФХ обратного смещения в координатах С-2 от и . В области ограничения тока туннельной проводимостью прямой ток обусловлен в основном тунне лированием дарок из аккумуляционного дырочного слоя через окисе в р+ - поликремний, или, что то ке самое, прямым тунне лированием электронов валентной зоны р+- поликремния в соответствующие пус тые ( в области слоя аккумуляции ) электронные состояния валент кой зоны р - кремния. Частично также имеет место процесс тунне-

.пирования электронов валентной зонн р*- поликремния через окисел на поверхностные состояния ( внутри запрещенной зоны кремния ) границы раздела St- S102 с последующей рекомбинацией с дырками аккумуляционного слоя. Исследуется зависимость крутизны ВАХ. в этой области токопрохоздения от толщины диэлектрика. Сильный спад туннельного тока с ростом толщины диэлектрика в реясиме ограничения тока туннельной проводимостью связан с уменьшением вероятности туннэлирования и свидетельствует об относительно высоком качестве изготовленных по используемой технологии туннелыю -тонких термических окисных слоев. Так, для серии структур с малой величиной нацрякэикя плоских зон. ток при U = 500 мВ падает в 2340 раз'при.увеличении толщина окисла от 17,5 до 27 й, 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 patatas: двухзонной модели туннелирования через диэлектрик увеличение толщины окисла на 2 2 долено 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-метричаского Si02 . Сдвиг напряжения отсечки на зависимостях 0~2( U ) с ростом толщины диэлектрика связан с небольшим увеличением величины положительного заряда, фиксированного в диэлэкт-рике. Так, для одной из серий лзготовленшх 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+- поликремний - туннельный окисел - р -кремний и эффекты, связанные с отличием состава окисла от ств-хиомзтрического" - вначале детально исследуются фотоэлектрические эффекты в изготовленных структурах. Приводятся спектральные характеристики фотоответа ( как в области выше края фундгмеитал:,-

кого поглощения в кремнии, так и в области ниже края фундаментального поглощения ). Сильное возрастание фотоответа при энергиях кванта света, больших 3 эВ,связано с фотоэмиссионнкми 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. Формирование прямоугольных импульсов излучения длительностью от 20 до 600 ыкс производилось с помощью арсенидогаллиевого светодиода. Полное изучение кинетики протекания фототока осуществлялось но 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 фэтогенерированных носителей на границе раздела р - -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 накоплением 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 БЮ^. 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 вольтамгюрнкх и вольтфарадных характеристик. Больниа значения величин фотоэдс

в исследуемых структурах при Т = 77 К ( от 490 до 720 ыВ при изменения толщины окисла от 20 до 33 1 ) 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 также процессы захвата носителей на ловушки окисла и границы раздела Б1 - БЮд, 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" между 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 интенсивности предварительного импульса облучения связано с увеличением числа ловушек, захвативших неосновные фотогенерированные носители. При больших импульсах предварительной подсветки на ДВАХ имеет место участок динамического отрицательного дифференциального сопротивлешм. Данный участок на ДВАХ связан с дополнительным протеканием через измерительную цепь 'емкостных токов О й и / й t , перезаряжающих ПТДП структуру, и может наблюдаться при осуществлении сканирования линейно изменяющимся напряжением спустя длительное время после облучения структуры. В отсутствии предварительной подсветки 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 Б1 - Б102 . В результате все имеющиеся в окисле и на границе раздела ловушки оказываются заполненными отрицательным зарядом. Результирующий положительный заряд окисла и границы раздела при этом уменьшаются, и соответствующее этой новой величине фиксированного заряда состояние с уменьшенным изгибом зон в р - кремнии монет сохраняться при Т = 77 к в течение достаточно длительного

времени. Последующее сканирование прямым линейно изменяющимся смещением осуществляет перезарядку ловушек 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 уже отсутствует. Приводятся экспериментальные доказательства следующих фактов: I) процесс захвата неосновных фотогенерированных носителей заряда на ловушки окисла и границу раздела 81 - происходит на этапе релаксации протекающего черэз 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, ниже которой площадь, ограниченная под участком ОДС,- уже уменьшается. Для структур' со временами окисления 1 < 10 мин. и толщиной окисла <3 ^ 22,5 2 участок 0Д0 на ДВДХ после предварительного освещения отсутствовал. В то же время имеет место очень небольшой уровень емкостных токов перезарядки, что связано с малой величиной захватываемого в системе заряда. Увеличение времени окисления при X > 10 мин. приводит к возникновению и дальнейшему расширению участка 0Д0, после чего в интервале 80 - 490 мш, т.е. для структур с толщиной окисла в диапазоне 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 3,03 • 10 см~^ ). О другой стороны, это означает, что в используемой технологии переход к термоциклированию при выращивании окислов толщиной от 33 до 54,5 2 не приводит к катастрофическому росту захватываемого в системе заряда, как это моаио было бы априорно

предположить. Исходя из. анализа уровня токов насыщения на ДВАХ структур с толщиной диэлектрика от 27 до 54 8, 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 МДП структуры с квазиодномерным электронным газом"- вначале рассчитывается начальное распределение потенциала в структуре без учета влияния подвижных носителей в канале. Для этого согласованно решаются двумерные уравнениа Лапласа в области подзатворного диэлектрика и уравнение Пуассона в п - области'полупроводника, ограниченной с боков обратносме-щвнными относительно п - подложки р+ - областями. Минимум потенциала имеет место на границе раздела п - 31 - БЮр 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" п - переходов, быстро затухает в г - 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 подпороговом реииме распределение этого положительного заряда на границе металл - окисел неоднородно по металлургической ширине канала ( вдоль, х - направления ) 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 волновой вариационной функции монет быть использована волновая функция типа Фэнга - Ховарда £ (г, Ъ) , в которой вариационный параметр " 0 (х) " является функцией от координаты " х ". Описание такой системы сводится к отыскании функции Ь (х) и функции распределения эффективной двумерной- концентрации носителей п3( х ), которые не только удовлетворяют граничном условиям для йг - производных от потенциала в области окисла и п- кремния, но и обеспечивают постоянство квазиуровня Ферми для электронов в целом по ширине сверхузкого канала. , ' ,

Вывода диссертационной работы приведены в конце каядой главы, содержащей результаты оригинальных исследований ( главы II -IV ). В "Заключении" кратко резшируются вывода этих глав. Проведенные экспериментальные исследования электронных и фотоэлектрических процессов в кремниевых ПТДП структурах позволили.детально отработать методику воспроизводимого изготовления туннельных структур р+- 31* - БЮ2 - р - 81 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 ВАХ-в области ограничения тока туннельной проводимостью при прямых приложенных смещениях связан с переходом поверхности полупроводника в состояние обогащения основными носителями. Обнаружено, что в технологии внрааашания окисла методом низкотемпературного термического окисления поверхности кремния б ряде случаев спад туннельной прозрачности окисла с ростом времени его окисления обусловлен не увеличением толщины окисла, а изменением соотношения мекду компонентами его состава.

Проведенный расчет распределения потенциалов в МДП структуре с кзазиодномерныы каналом (в том числе и с учетом влияния

подвижного 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 S.C., Козырев C.B., Осшов В.Ю.,Санин К.В., Шмарцев Ю.В. Проводимость "скатых" аккумуляционных каналов кремниевых ВДП структур. - IX Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников". Новосибирск, 1988 г. Тезисы докладов. 4.1. C.I00 - 101.

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

3. Козырев О.В., Осшов В.Ю. Задача двумерного нелинейного экранирования в расчете параметров электронного шнура квазиодномерной ВДП 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 - IM - 2М в проводимости узка аккумуляционных ВДП каналов, ограниченных ОГВ.- 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 ВДП канал для ела-болокализованных носителей. - XXVI Всесоюзное совещание по физике низких температур, Донецк, 1990 г. Тезисы докладов, Т. 3 . с. ПО - III.

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

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

Зинчик. Ю.С., Макарова Т.Л. Процессы токошреноса в структурах °яоликремний - тушельно - прозрачный диэлектрик - кремний. -XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Киев, 1990 г. Тезисы докладов. Ч. 2., G. 131 - 132.

8. Козырев C.B., Осипов В.». Расчет МДП структуры с квазиодно-мерныы электронным газом.- ЖТФ, 1990, Т.60, В.10. С..69 - 74.

9. Бойцов O.K., Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., ■ Зинчик Ю.С., Осипов В.Ю., Макарова T.JI. Процессы токопрохоздения 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 фртоответа в р+- Si*-S102 - р - Si - ПТДП структурах с промежуточным туннельно -прозрачным слоем диэлектрика. - II Всесоюзная конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ашхабад,

1991 г. Тезисы докладов, С. 261.

11. Козырев C.B., Осипов В.Ю. К расчету ВДП структуры с квазиодномерным электронным газом. - ЖТФ, 1992. Т. 62, B.I, С. 9 ч 17.

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

13. Вуль А.Я., Дидейкин А.Т., Осипов В.Ю., Бойцов С.К., Зикчик Ю.С, Макарова Т.Л. Вольтампервые и вольтфарадные характеристики кремниевых ЦЦП структур с толщиной диэлектрика менее 50 2. - ФТП, 1992, Т. 26, В. I, С. 146 - 149.

14. Бойцов O.K., Макарова Т.Л., Осипов В.Ю. К вопросу о туннели-рованш 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 тушели-роваши сквозь промежуточный (17-30 2) окисный слой кремниевой ПТДП.структуры. - Микроэлектроника, IS93. Т. 22, В. 5. С. 86 - 94.

РТП ПШФ,. зак.288, тир.100, уч.-изд. л Л ;ЗЛ-1994г.

Бесплатно