Исследование границы раздела диэлектрик-полупроводник с целью разработки плазмохимического процесса для формирование МДП структур на соединениях А3В5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. И

ПАДЕРОВ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК С ЦЕЛЬЮ РАЗРАБОТКИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МДП СТРУКТУР НА СОЕДИНЕНИЯХ А^В5

Специальность 01.04.10. Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Мордовском государственном университете имени К.П.Огарева и Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научны» руководитель

Официальные оппонент^

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Неустроев С.А.

: доктор физико-математических наук, профессор Раков A.B. кандидат физико-математических наук, доцэнт Ревелева М.А. научно-исследовательский институт молекулярной электроники (г.Москва)

Защигга состоится

1994 г. на заседании специализированного совета Д.053.02.02 Московского государственного института электронной техники.

Отзывы в ¿ч« экземпляре направлять по адресу: 103498, К-408, МГЮТ. •

С диссертацией можно ознакомиться в биЗлиотеке МНЯТ.

Автореферат разослан ОЗ 1994 г.

Ученыа секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук, дпцзкт ^^В.Ы.Орлов

^¿Г&кг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тоны. Основными направлениями развития микроэлектроники являются расширение функциональных возможностей микросхем, повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности. Новое направление в создании сверхскоростных интегральных микросхем (ИМС) открывает использование новых полупроводниковых материалов, например, арсенида галлия и фосфида индия. Приборы на этих полупроводниках по сравнению с кремнием при прочих равных условиях имеют большее быстродействие, более высокую рабочую температуру и лучшую радиационную стойкость .

Наиболее оптимальной элементной базой доя цж* чвых и линейных ИС являются транзисторы со структурой металл- диэлектрик -полупроводник (МДП ПТ). Однако, реализация МДП ПТ на арсенида галлия и фосфиде индия имеет существенные трудности и, прежде всего, из-за неудовлетворительных параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник, связанных с нестабильностью и

высокой плотностью поверхностных состояний. Отечественные и особенно зарубежные литературные данные по современному состоянию вопросов создания МДП ПТ на основе СаАз и 1пР свидетельствуют о возрастающей интенсификации работ, направленных на решение этой проблемы. До ..настоящего времени нельзя сказать, что имеется установившаяся и оптимизированная технология создания качественной И стабильной границы раздела диэлектрик-полупроводниковое соединение. Одним из перспективных направлений формирования диэлектрических покрытия является плазмохимичоское осаждение. Однако существующее серийное оборудование и разработанные процессы в технологии приборов на кремнии не позволяют получать удовлетворительных параметров границу раздела плазмохимический диэлектрик -полупроводниковое соединение. Кроме того, в случае полупроводниковых соединений в настоящее время еще . имеется некоторая неясность в понимайии свойств границы раздела. Находятся в стадии развития методы исследования границы раздела, дающие об7йк~плвную оценку ее качества.

Щлью работы являлось ':

разработка плазмохимического процесса формирования диэлектричосютх пленок на полупроводниковых соединениях А3В° с малой плотностью поверхностных состояний на граница раздела

диэлектрик - полупроводник и малым подвижным зарядом в диэ.яектрике;

разработка экспрессных методов измерения параметров МДП структур, в том числе методов, характеризующих зарядовую нестабильность.

Для достижения поставленной дали необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать возможности и ограничения методов исследования электрофизических параметров границы раздала диэлектрик полупроводник, особенности их применения к анализу МДП структур на полупроводниковых соединениях.

2. Разработать экспрессные методы определения плотности поверхностных состояния и подвижного заряда в диэлектрике МДП структур.

3. Провести исследование энергетических параметров плазмы ВЧ тлеющего разряда в зависимости от типа реактора, величины ВЧ напряжения, давления и состава газов и установить взаимосвязь между энергией ионов, бомбардирующих поверхность полупроводника в процессе осаждения диэлектрика, и плотностью поверхностных состояний на граница раздела диэлектрик-полупроводник.

4. Провести комплексное исследование электрофизических параметров границы раздела плазмохимический диэлектрик- полупроводниковое соединение, установить особенности перезаряда поверхностных состояний и поведения подвижного заряда в диэлектриках.

5. Выявить условия осаждения плазмохимических диэлектриков в различных плазмохимических реакторах на полложки ИзАз и 1пР, дающие параметры границы раздала, удовлетворительные дня создания на их основе МДП приборов.

■ В результате проведенных исследования на защиту выносятся следующие положения:

1. Экспресс-методы о про .полония усредненной плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик -. полупроводник из квязирлвновесных ВЧ С-У характеристик, алгоритм для быстрого расчета спектра плотности поверхностных состояний методом Термапа, приближенные соотношения для расчета электрофизических параметров МЛП структур.

2. Метод вольт-секундных характеристик при разрядо МДП структуры постоянным током для экспрессного определения плотности подвижного

заряда в диэлектриках МДП структур. теория вольт-секундных характеристик в условиях перетекания подвижного заряда по диэлектрику.

3. Влияние конструкции пленарного плазмохимического реактора на энергию ионов плазмы ВЧ разряда, бомбардирующих подложки полупроводника в процессе осаждения диэлектрика.

4. Результаты комплексного исследования электрофизических параметров МДП структур па основе СэАз и 1пР с плазмохимическими диэлектриками,- особенности порезаряда поверхностных состояния и ловушек в этих С1руктурах, влияние энергии ионов, бомбардирующих полупроводник в процессе осаждения диэлектрика, на плотность поверхностных состояний.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. На основе квазиравновесной ВЧ С-У характеристики разработан экспрессный метод определения усредненной плотности поверхностных состояний, включающий более широкий диапазоп запрещенной зоны полупроводника и отличающийся меньшей погрешностью при определении низких плотностей поверхностных состояний, а также экспрессный метод определения плотности поверхностных состояний, соответствующий уровню Ферми.

2. Предложен простой алгоритм для быстрого расчета спектра плотности поверхностных состоянии методом Термана. При наличии на ВЧ С-7 зависимости изломов расчеты по предложенному алгоритму являются кроме того более точными.

3. По максимальному и минимальному значениям квазнравновосной ВЧ емкости МДП структуры получены приближенные соотношения для расчета концентрации основных носителей заряда в полугцюводнике, потенциала Ферми, потенциала Линднера, емкости плоских зон и емкости МДП структуры, соответствующей поверхностному потенциалу середины запрещенной зоны полупроводника, отличающиеся меньшими погрешностями. ,

4. На основе вольтсекундных хараетеристих МДП структур, разряжаемых постоянным током, разработан метод экспрессного определения плотности подвижного заряда в дизлб1стриках МДП структур. Получены уравнения для описания характеристик МДП структур при условии перетекания подвижного заряда по диэлектрику.

5. Прямыми измерениями показано, что энергию ионов, бомбардирующих заземленный эле;строд в плазме ВЧ диодного разряда, нельзя

уменьшить ниш 15 эВ за счет увеличения отношения площади заземленного электрода к площади ВЧ электрода вплоть до 53/5ВЧ=13. Увеличение отношения Б3/5ВЧ>7 приводит к резкому уменьшению концентрации ионов в плазме ВЧ разряда.

3. Показано, что существенное влияние на величину плотности быстрых поверхностных состояния в НЛП структурах на основе СаАз и 1пР с плазмохимическими диэлектриками оказывает бомбардировка подложек полупроводников высокоэнергетичными ионами. Снижение энергии ионов до уровня 1Б~20эВ приводит к резкому уменьшению плотности быстрых поверхностных состояния. Закрепление поверхностного потенциала в исследованных МДП структурах на основе СаАз обусловлено прежде всего высокой концентрацией медленных электронных ловушек, локализованных в диэлектрике в пределах переходного слоя диэлектрик-полупроводник. Уровни дырочных ловушек в структуре плазмохимический диоксид кремния-1пР энергетически залегают, в основном, ниже потолка валентной зоны 1пР.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны экспресс-метода определения электрофизических параметров МДП структур по квазиравновесным ВЧ характеристикам. Разработан автоматизированный измеритель плотности подвижного заряда в диэлектриках МДП структур на базе метода вольт-секундных характеристик. Даны рекомендации по конструированию плазмохимичэских • реакторов с пониженным энергетическим воздействием ионов на подложку полупроводника и высокой плотностью плазмы. Рекомендуется соотношение площадей электродов пленарного реактора 4<53/Звч<7, при которых энергия ионов практически но зависит от ВЧ напряжения, а плотность плазмы регулируется в широком диапазоне путем изменения ВЧ напряжения. Из основе нитрида кремния, полученного в оптимизированном плазмохимическом реакгоре, изготовлены нормально-открытые МДП транзисторы на СаАз со встроенным п-кэналом, параметры которых соответствуют уровню аналогичных зарубежных образцов.

Апробация работы. Результаты докладывались на:

1. 2 Всесоюзной конференции "Активация и нетермичоская стимуляция тохноло1ических процессов микроэлектроники (г.Москва, 1981)

2. Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов МЮТ по проблемам микроэлектроники (г.Москва, 1982).

3. 3 Всесоюзном семинаре "Путт повышения стабильности и надежности"микроэлементов и микросхем" (г.Рязань, 1984).

4. 4 Всесоюзном симпозиуме по плазмохимии (г.Днепропетровск, 1984).

5. Научно-технических семинарах кафедры "Специальные материалы микроэлектроники" МГОТ (1982, 1983, 1984 г.г.).

6. 2 всесоюзной научной конференции "Физика окиспых пленок" (г.Петрозаводск, 1987).

7. Ежегодные Огаревские чтения Мордовского гос. университета им. Н.П.Огарева (1985 - 1993 г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, получено авторское свидэтельтво, результаты иссле. ваний вошли в отчеты по хоздоговорным НИР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 215 страниц, в том числе 139 страниц машинописного текста, 39 страниц рисунков, 7 таблиц на 10 страницах, 148 наименований использованной литературы.

Результаты работы и проведенных исследования внедрены в НИИМЭ, НИИ "Оптика" (г.Москва), АО "Орбита" (г.Саранск).

■■ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, формулируется цель работы и излагается краткое содержание диссертации.

В первой главе диссертации на основе известных литературных ' данных анализируются технологические проблемы формирования структур дизлектрик-арсенид галлия и диэлектрик-фосфид индия, влияние плазмы на деградацию параметров МДП структур и модели электрофизического поведения границу раздела дизлоктрик-подупроводниковое соединение.

' Вторая глава посвящена анализу методов исследования электрофизических параметров МДП структур и границы раздела диэлектрик-полупроводник. ' Детально анализировались метода квак-иравновесных высокочастотных и низкочастотных С-У харакгеристик, метод неравновесных (импульсных) С-У хара]стористак и особенности их применения к структурам на основе

полупроводниковых соединений. Было покаэаво, что при исследовании МДП структур методом квазиравновесных ВЧ С-7 характеристик во многих практических случаях не имеет необходимости использования точных математических, зависимостей, поскольку они не дают существенного выигрыша в точности измеряемы^ параметров. Поэтому дчя расчета некоторых параметров вместо решения трансцендентных уравнопия предлагаются приближенные выражения, погрешность которых для большинства практических случаев меньше, чем общая погрешность, получающаяся методом ВЧ С-7 характеристик в результате экспериментальных погрешностей и реальных ноеднородностея МДП структур. '

При условии достижения в МДП структуре классических состояний сильного обогащения и сильной инверсии по значениям площади металлического электрода Б, максимальной и минимальпой емкостей кпазирзвновесноя ВЧ С-У характеристики С и С можно

* г г «хщ тчт>

определить потенциал Ферми иг, потенциал Линдаера и^, концентрацию основных носителей заряда в полупроводнике 8, емкость плоских зон сг>, емкость МДП структуры, соответствующую поверхностному потенциалу середины запрей/энной зоны полупроводника Си>, и другш элеюрофизическиэ параметры, используемые для практических расчетов. С использованием наиболее точной аппроксимации уровня минимальной ВЧ емкости области пространственного заряца полупроводника, учитывающей поляризационную составляющую емкости неосновных носителей инверсионного слоя,

получены следующие приближенные формулы с малыми погрешностями в гирпком. диаппзгчю нормированных потенциалов Форми 8< и, • 16:

<1>

2(2иг-1+1п(1,15<иг-1)1)

и 1п

/я.ВВ * 2,17 1п(ГЯт1п /С„>]

+2,139; ¿сО,05%

(2)

и, --- 4.Б07 1Г1 (С /С ) * 10,27; ЛчП,5Х

I. " «!1)1П I» ' . ' *

%2г /• С л *1

£пип втъп| I

- 18,35 1п - + 34.08 п ;

<5<0.БХ

(4)

С =

(0,217-0,0062 и„КСта)< /СИ1п -1 ) + 1 С

; ¿<0,1% ,

(б)

(в)

мв (0,616+0,0032 и }(С /С -1) + 1

Г №ах №1 г>

где С^.^уЛ^^Н / ит - удельная емкость 1ки .роводника при

плоских зонах,

-минимальная удельная емкость полу-

С

3(С /С - 1)

и» а к пи г»

проводника,

С ^ £ Я , I =

о о ы р' Т> .

и с 1Г

О £ Т

2ЧП

- длина Р&5ая для собственного

полупроводника , потенциал Линднера, характерный потенциал в С-У

зависимости, соответствующий условию, когда заряд неоснивных

носителей в ОПЗ полупроводника равен заряду ионизованной примеси, ит=кТ/ч - температурный потенциал,

п - концентрация свободных носителей заряда в собственном. полупроводнике.

Детально проанализировано определение спектра плотности поверхностных состояний методом Германа. Показано, что за исключением режима сильной инверсии определение спектра рлотности поверхностных состоянии можно проводить по соотношению

'йр.

1

1-С/С

(V)

где С - удельная емкость диэлектрика.

-- производная поверхностного потенциала по напряжению.

Ввиду общего ограничения метода пологие участки в С-7 зависимости исключаются из расчетов. Алгоритм вычислений, построенный на основе выражения (7), дает существенное увеличение быстродействия расчетов. Значения поверхностных потенциалов определяется по величинам емкостей на основе следующих приближенных соотношений (знаки для полупроводника р-типа)

и-2 1пХ ; и<-в,5 ; (8)

11=2 1аХ+0.0389Х4-0,10вХ3+0,659Хг+0,Б8Х-0.024; -в,5<и<7,5; (9) и=Хг+1 ; 7,5<и<2иг-3;(10)

С 5

ШГШ

где X = - |---I - промежуточная переменная.

^ ^ ^та*

Погрешность соотношения (8) - (9) не превышает ли<0,01.

Таким образом, расчет спектра плотности поверхностных состояния сводится к простым расчетам по аналитическим формулам. Не тробуются ни аппроксимация экспериментальных данных (или их интерполяция), ни иттерэционная процедура расчета поверхностных потенциалов, что в результате приводит к существенному уменьшению времени расчетов на ЭВМ. Кроме того, при наличии на С-У зависимости изломов расчеты по предложенному алгоритму являются болоо точными.

Для анализа МДП структур без каких либо особенностей в слоктро распределения поверхностных состояний можно проводить

экопрос.с-оцонку усредношюя величины Кки или ее значение в характерных точках запрещенной зоны полупроводника: в середине

запрещенной зоны {Г* или на уровне,соответствующем уровню Ферми Расчет усредненной плотности поверхностных состояния проводится по формуле

С. Д7

= ~ —• <11> Ч ■

тдо л У - растяжение экспериментальной ВЧ С~У характеристики за счот лорезчряда поверхностных состояний при изменении погюрхностногп потенциала на величину л*. При этом требуются

е.-А;

измерения только четырех точек в С-7 зависимости.

Получены расчетные соотношении для определения плотности поверхностных состояния, энергетическое положение которых соответствует уровню Ферми, усредняя спектр плотности поверхностных состояний в диапазоне ±ит относительно ик:

!Г

лТ

2Ц.

/С

- 1

(12)

А" (С

/С

та х ют

- 1) + 1

(13)

А (С /С

1) + 1

(14)

г = 2.12/1Р .

А" = 0,3381 //йГ" ,

А

Д<0,02

Д<0,0002,

(15)

(10)

(17)

где л? - разность между напряжениями на МДП структуре, соответ-— +

ствугацими емкостям С (-ит) И'С (»и ).

Для МДП структур с диапазоном легирования полупроводника, соответствующим диапазону потенциалов Ферми 8<иг<16, погрешности соотношений (1) И (12) - (17) дают мнимую плотность поверхностных состояний менее 5 10®см~2зВ~1.

Получены также расчетные соотношения для определения

усредненной величины Г13£. , когда изменение поверхностного потенциала охватывает почти весь диапазон запрещенной зоны, доступный для исследования методом квазиравновесных ВЧ С-Ч характеристик. Усреднение проводится от плоских зон до начала силыюя инверсии ?'а=21!тиг. Из-за широкого диапазона усреднения определяемая величина менее чувствительна к экспериментальным погрешностям, чем в предыдущем метода. Расчетные соотношения следу юшу.о:

С

гии с /с - 1

Т Г так тт

С . =

В(С /С -1 ) + 1

так п»1 п

а = 2,079 -0,00137 иг , л<0,001

0 = 0,018 +0,0025 и , л<0,001

(10)

(20) <21) структуре.

гдо и7%х - разность между напряжениями на МДП соответствующими емкостям Сг>.иСи,

Св1 - емкость МДП структуры, соответствующая потенциалу начала сильной инверсии 21,тиг.

Мнимая плотность поверхностных состояний, вносимая за счет погрешности соотношении (1), (5), (18) - (21), также не превышает 5 1О0 см"2эВ"1 в диапазоне потенциалов Ферми 8<иг*16.

Расмотроны особенности метода квазистатических С-У характеристик и метода сравнения С-У характеристик, измеренных на разных частотах в ВЧ диапазоне,' для анализа МДП структур на широкозонных полупроводниках, отмечена сложность анализа экспериментальных данных при нестабильном диэлектрике и границы раздала диэлектрик-полупроводник.

Отмочены перспективность метода неравновесных ВЧ .С-У характеристик с трапециевидными импульсами • смещения для исследования МДП структур на полупроводниковых соединениях. Анализ НВЧ С-У характеристик с. трапециевидным ' импульсом смещения позволяет наблюдать явления установления стационарных состояний обогашрния и инверсии, захват носителей на ловушки в диэлектрики, оценивать интегральную эффективную плотность ловушек на границе раздела диэлоктрик-полупроводник. Ог величины импульса смещения, как известно, сильно зависит пе[пзаряд медленных ловушок, локализовашшх в диалоктрико на некотором расстоянии от границы раздела диэлок'фик- полупроводник,- миграция подвижных зарядов в диаюктрико и медленная поляризация. Поэтому для более детального исследования спектра платности быстрых поверхностных состояний и их сечений захвата использовалась модификация метода ПВЧ С-У характерно™« с матым импульсом смшцо.мии, наклавдваемым .на-постояннео смещение. Эта методика в о'и.иыоя степени свободна от

влияния перезаряда "медленных" ловушек.

В третьей главе проведен критический анализ методов измерения плотности подвижного заряда в диэлостриках МОП структур, рассмотрены особенности поведения подвижного заряда в . окислах на кремнии.

Предложен метод вольт-секундных характеристик при разряде МДП структуры постоянным током, на основе которого просто реализуется автоматизированный измеритель подвижного заряда, измеряющий в цифровом вида плотность подвижного заряда. Сущность метода заключается в следующем. На МДП структуру, находящуюся при повышенной температуре, подают положительное напряжение на металлический электрод ' и выдерживают в течение времени, достаточного для перетекания подвижного заряда к границе раздала диэлектрик-полупроводник. Затем МДП структура разряжается постоянным током от положительного потенциала на металлическом электроде до отрицательного потенциала на металлическом электроде, г Если МДП структура без подвижного заряда, то уменьшение напряжения во времени (У-1 характеристика)происходит по .линейному закону, как показано на рисунке пунктирщой линией. Если имеет место Шретеканда подвижного заряда через диэлектрик от границы равдела диэлокгрик-полупроводник к границе раздела диэлектрик-металл вблизи инверсии знака напряжения, то уменьшение потенциала во времени резко замедляется и на 4-Х. характеристике появляется пологий участок, как показано на рисунке сплошной линией. Когда подвижный заряд полностью перетечёт через слой диэлектрика и остановится у границы раздела даэлоктрик-моталл, зависимость • будет иметь линейный характер с первоначальным наклоном.

Показано, что плотность подвижного заряда Ыт пропорциональна длительности ступеньки на У-1 зависимости дХ1п, получаемся экстраполяцией начального и конечного линоиных участков ■ На • ось времени, как показано на рисунке:

' ' I

• N = — , т "

гдо X - постоянный .ток, разряжающий МИД структуру.

Установив величину тока разряда такой, чтобы

(22)

множитель

= 10*1 см""гс~', плотность подвижного заряда будет-пропорциональна времени в секундах:

N = ¿1. у 10". 1см""2). (23)

т .

Таким образом, плотность подвижного заряда, определяемая данным методом, пропорциональна одному параметру - длительности ступеньки в У-1 зависимости вблизи инверсии знака напряжения на металлическом элоктродо.

Измеритель подвижного заряда измерчот У-1; характеристику МДП структуры при разряда ее постоянным током, выделяет пологий участок в этой характеристике и в цифровом виде выдает длительность этого участка, пропорциональную величине плотности подвижного заряда п МДП структуре.

Выполоно уравнению дли расчета У-Ь характеристики МДП структуры, разряжаемой постоянным током, при наличии перетекания подвижного за11лда по диэлектрику

I

г

у<г > = У+ - г ----------------

-I С < С ( с О " " *

(Г.1)

где V* - начальное напряжение на металлическом элетстродо МДП струетуры,

Сз - низкочастотная емкость МДП структуры с учетом емкости

поверхностных состояния, Сп - паразитная емкость измерителя, С - эквивалентная емкость подвиж&Эго заряда.

Показано, что если перетекание подвижного заряда происходит только вблизи инверсии знака напряжения па металлическом электроде и при этом С»Св+С , на 7-г характеристике появляется ступенька.

Из формы 7-г хара1стеристики может быть рассчотана зависимость эквивалентной емкости подвижного заряда от напряжения или времени

I

С <7) =---'Са-Сп» (25)

(17/сП

анализ которой может дать дополнительную информацию об особенностях элоетрофизического поведения подвижного заряда в диэлектриках МДП структур.

Описан принцип действия и блок-схема разработанного измерителя подвижного заряда. Измеритель подвижного заряда может быть рекомендован для экспресс-контроля плотности подвижного заряда в диэлектрических пленках по тестовым МДП структурам в лабораторных и цеховых условиях.

В четвортой главе диссертации описываются результаты исследования параметров плазмы высокочастотного разряда в плазмохимических реакторах и процессы осаждения пленок диоксида и нитрида кремния с использованием различного плазмохимического оборудования'. Проведены прямые измерения . энергии ионов, бомбардирующих заземленный электрод и концентрации ионов в плазме ВЧ тлоетдего разряда в зависимости от соотношений . плошадей электродов в реакторе, величины ВЧ напряжения на электродах, давления"и состава газов. Энергия ионов измерялась с помощью электростатического анализатора типа секторного цилиндрического конденсатора, концгищття ионов также оценивалась о помощью электростатического иштазатора, но данные калибровались на основе измерения двухзондоиым методом. Экспериментально показано, что зависимость четвертой стопони для соотношения потом талон электродов лтноситлнт плазмы, ш|яшшгая уравненном

7ВЧ ' У3 = <53 /3БЧ>4 • <26>"

г.

имеет ограниченную область применения для энергия ионов, бомбардирующих электроды реактора, и приблизительно сфблюдается для соотношений площадей электродов 1 < Б3 /5ВЧ < 2. Даже в этом, диапазоне зависимость четвертой степени имеет отклонение' .при изменении амплитуда ВЧ напряжения, давления и ■ состава газов. Энергию ионов, бомбардирующих подложку • полупроводника, расположенную на заземленном электроде, • практически нельзя уменьшить ниже 15 эВ за счет увеличения отношения площади заземленного электрода к площади ВЧ электрода 'вплоть до 53 /5ВЧ = 13. Добиваясь снижения энергии ионов, увеличивать . отношение площади заземленного электрода к площади ВЧ электрода имеет смысл до определенного предела. Несмотря на монотонность.. зависимости энергии ионов, бомбардаруюдах заземленный электрод, от отношения площадей электродов Б3' /Зцч. в ее. поведении можно выделить два участка: резкое' снижете энергии при увеличении Ба /5ВЧ до 5 и очень медленное снижение (до 16 зВ) при дальнейшей увеличении до 13, то есть, при большом.увеличении Б3 /Звч энергия ионов, снижается незначительно, в то время как концентрация ионов и равная ей концентрация электронов продолжает- в этом диапазоне существенно уменьшаться. Это ' может привести .к снижению эффективности плазмохимического процесса. Рекомендуются соотношения площадей электродов 4 < /Эвч <7, в диапазоне которых энергетическое- воздействие . ионов на подложку полупроводника, расположенную на заземленном электроде, понижено (17-30 эВ) и практически не зависит от ВЧ напряжения, а плотность плазмы ' (мощность разряда) регулируется напряжением на ВЧ электроде. На основе проведенных исследования' оптимизирована ранее разработанная конструкция низкоэнергетичного шгаамохимического' реактора ' с высокой эффективностью- использования исходных реагентов.

Проведено осаждение диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния па подложки СаАз и 1пР в шазмоХимичоских установках с различными типами реакторов: Р1азлтГаЬ-&30М, М1п1Соцру1, УВП-2М, ■ УВЛ-2 с модернизированным реактором. Ввиду того, что в наиболее распространенных плазмохимичоских установках подложки полупроводника в процессе осаждения подвергается интенсивной

ионной бомбардировке с энергиями больше 100 эВ (по предположительным оценкам, основанным на соотношении площадей электродов и амплитудным значениям ВЧ напряжения), процесс осаждения проводился также- на установке УВП-2 с разработанной нами конструкцией реактора,- где энергия ионов не превышает 20 эВ. Исходные компоненты' для синтеза диоксида и нитрида кремния и условия осаждения выбирались, исходя из особенностей плазмохимических реакторов и согласно рекомендация литературных данных, где сообщается о достижениях высоких электрофизических параметров диэлектриков, полученных в аналогичных системах.

. . В пятой . главе описаны методики и установки измерения элеклрофизических параметров МДП структур, проведено исследование объемных электрофизических параметров плазмохимического диоксида и нитрида кремния, состава пленок и границы раздела пленка-подложка, детальному анализу подвергаются электрофизические свойства границу раздела плазмохимических диэлектриков. с GaAs и InP, измерены параметры изготовленного на основе GaAs с плззмохимическим нитридом кремния нормально открытого МДП транзистора со встроенным п-каналом.

Для измерения G-V характеристик использовались методики с резистивиым или емкостным делителем и соответствующие макеты установок автоматических измерений, собранные на базе стандартных приборов. • Диапазон частот тестового сигнала 18 Гц - 20 МГц и •скоростей развертки 10~г-10а В/с. Исходя из требований точности и линейности измерения • емкости, выполнены расчеты номиналов нагрузочных '.элементов, • амплитуда тестового сигнала, чувствительности и входного сопротивления измерительных приборов в различном частотном диапазоне и, проведен выбор соответствующих . приборов.

Диэлектрики, • полученные в оптимальных режимах осаздения, имеют высокие электрофизические параметры на уровне лучпгёгх опубликованных данных для пдазмохимическЛх диэлектриков. Элементный состав пленок, оцененный методом Ожо-спектроскглгии, для оксида кремния близок к S102, для нитрида кремния соответствует нестохиометрическому нитриду кремния с соотношением компонентов Si:N-1:1. В объемном димектрике содержание» кислорода моньшо 0,4 ат.Ж. Наблюдается широкая переходная область в структуре SIN -СпАз порядка, 1.0 нм', где концентрация киг.лорода возрастает до 7 ат.5С.

Широкая переходная область порядка 7 нм наблюдается и на границе раздела в структуре 510г-1пР.

Существенное влияние на электрофизические параметры границы раздела шшзмохимическиа диэлектрик-полупроводниковое соединение оказывает доза и величина энергии ионов, бомбардирующих подложку полупроводника в процессе осаждения диэлектрика. Диапазон модуляции поверхностного потенциала для структур с диэлектриками, полученными на установках Р1азгпа1аЬ-ЗЗСМ, М1п1Соиру1, УВП-2М очень мал, что может быть связано с высокой плотностью поверхностных состояний, экранирующих полупроводник. Природа этих состояний, вероятно, связана с разупорядоченностыо приповерхностной области полупроводника. Диапазон модуляции поверхностного потепциала в МДП структурах, полученных в модернизированном реакторо, значительно шире, что может быть связано с тем, что энергия ионов, бомбардирующих подложки, ниже чем в реакторах других установок, . и составляет 15-20 зВ.

В структурах ЭИ^-СаАз,' полученных на установке УВП-2 с модернизированным реактором, имеется высокая концентрация электронных ловушек с интегральной плотностью больше 3x10'3 см~г, и в структуре достигается только неравновесное обогащение, а концентрация дырочных ловушек мала, и в структуре достигается сильная инверсия. Спектр рассчитанный методом Термана, дает значения плотности поверхностных состояний намного выше, чем в методе НВЧ С-У характеристик с малым обедняющим импульсным смеЕ;ением, особенно вблизи зоны проводимости. Такое расхождение можно объяснить тем, что метод Термана чувствителен к перезаряду "медленных" ловушек, локализованных в об1емо диэлектрика, перезарядка которых определяется величиной электрического поля в диэлектрике. Закрепление поверхностного потенциала при обогащающем смещении обусловлено прежде всего высокой концентрацией "медленных" ловушек. Высокая концентрация элистронных ловушек связана, вероятно, с широкой переходной областью на границе раздела пленка-подложка, как следует из результатов Оже-анализа.

Для объяснения кинетики перезаряда поверхностных состояний в рамках механизма перезаряда Шокли-Рида приходится предполагать экспоненциальное уменьшение сечения захвата состояний, энергетически локализованных ближе к зоне проводимости. Рассчитанные величины сечений захвата состояний находятся в рамках

физически приемлемых значений и соответствуют опубликованным данным. Поэтому для описания электрического поведения структур плазмохимический 511^-СаАз не имеет смысла использовать модель 15В Хасегавы и Савады.

Вследствие высоких объемных электрофизических г паметров и малг концентрации дырочных ловушек исследованные пленки БШ^ могут использоваться в качестве подзатворных для МДП транзисторов на основе СаАз со встроенным п-каналом, работающих в режиме обеднения.

В структурах 3102-1пР и Б1Ня-1пР, полученных на установке УВП-2 с модернизированным реактором, в отличие от структур на основе СаАз, достигается равновесное обогаданив. Однако, если в структурах БШ^-ТпР чмеется высокая концентрация только электронных ловушек, то в структурах БЮ^-ГпР имеется высока, концентрация ловушек обоих типов. Высокая концентрация дырочных ловушек препятствует достижению равновесной инверсии в структурах БЮ^-ГпР, скорость захвата дырок на эти ловушки резко замедляется при снижении температура образца до 77 К, то есть захват дырок ' на ловушки является термически "активируемым процессом. На основании этого предполагается, что основная часть уровней дырочных ловушек в структуре ЭЮ^-ГпР энергетически локализована ниже потолка валентной зоны 1пР.

Скорость выброса электронов с ловушек в структуре Б1ГТ-1'аР зависит от величины электрического поля в диэлектрике. Плотность поверхностных состояний, рассчитанная методом Германа, как и в случае структур на основе СаАз, значительно превышает таковую, полученную из НВЧ С-¥ хара1стерист'ж на малом обедняющем импульсе смещения, что также может свидетельствовать о высокой концентрации "медленных" ловушек, локализованных в диэлектрике. Кинетика перезаряда поверхностных ловушек в структурах БШ^-ТпР умеет принципиальное сходство с кремниевыми МОП структурами.

С использованием в качестве подзатворного диэлектрика ГПМ^, по.яученного нл установке УВП-2 с модернизированным реактором, изготовлены нормально открытые МДП полевые транзисторы на основе СаАз со встроенным п-каналом. Параметры МДП транзисторов, а такте их быстродействие соответствуют уровню аналогичных зарубежных' образцов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДУ

1. На основе квазиравновесных ВЧ С-У характеристик разработан экспрессный метод определения ус вдаенной плотности поверхностных состояний, включающий более широкий диапазон запрещенной зоны полупроводника и отличающийся меньшей погрешностью при определении низких плотностей поверхностных состояния, а также экспрессный метод определения плотности -поверхностных состояний, соответствующих уровню Ферми. Методы предполагают измерения только ■ четырех точек в С-У зависимости. Г

2. Предложен простой алгоритм для быстрого расчета спектра плотности поверхностных состояний методом- Термана. Расчеты сводятся к вычислениям по аналитическим формулам. При наличии на ВЧ С-У зависимости изломов расчеты по предложенному алгоритму яаллигся, кроме того, более точными.

3. По значениям максимальной и минимальной емкостей квазиравноввсной ВЧ С-У завис^ос.ти получены приближенные соотношения дяя расчета концентрации основных носителей заряда в полупроводнике, потенциала Ферми, потенциала Линднера, емкости плоских зон и емкости МДП структуры, соответствующей поьерхностному потенциалу середины запрещенной зоны полупроводника, отличающиеся меньшими погрешностями.

4. На основе вольт-секундных характеристик МДП структур, разряжаемых постоянным током, разработан метод экспрессного определения плотности подвижного заряда в диэлектриках. Выведены уравнения для вольт-секундных характеристик МДП структур при • наличии перетекания подвижного заряда по диэлектрику. Показано, что плотность подвижного заряда пропорциональна одному параметру -длительности ступоньки в вольт-секундной зависимости вблизи инверсии знака напряжения на металлическом электроде. На основе этого метода разработан .автоматизированный цифровой измеритель плотности подвижного заряда . в диэлектриках МДП структур. Изморитель может быть рекомендован для экспресс-контроля плотности подвижного заряда п диэлектрических пленках по тестовым МДП структурам в лабораторных и цеховых условиях.

6. Прямыми измерениями энергии ионов, бомбардирующих заземленный элшгтюд в плазме высокочастотного тлоющего разряда, показано, что зависимость четвертой стегони, выраженная уравнением (26), приблизительно соблюдается только для соотношения площадей

электродов в диапазоне 1<53/5ВЧ<2. Энергию ионов, бомбардирующих заземленный . электг^д, нельзя уменьшить ниже 15 эВ за счет увеличения отношения площади заземленного электрода к алощади ВЧ электрода. Для проведения процессов плэзмохимического осаждения диэлектриков в условиях ионной бомбардировку подложек полу, роводника с пониженными энергиями (17-30 эВ) рекомендуется соотношение площадей электродов 4<53/5ВЧ<7, при которых энергия ионов практически не зависит от ВЧ напряжения, а плотность плазмы (мощность разряда) регулируется в широком диапазоне путем изменения амплитуды ВЧ напряжения.

в. Существенное влияние на электрофизические параметры границы раздела плазмохимический диэлектрик- полупроводниковое соединение оказывает дг-э и величина энергии ионов, бомбардирующих подложку полупроводника в процессе осаждения диэлектрика, условиях пониженной энергии ионов (15-20 эВ) значительно сокращается плотность "быстрых" поверхностных состояний, природа которых, вероятно, связана с разупорядочепностью приповерхностной области полупроводника. Доминирующий механизм закрепления равновесного поверхностного потенциала в МДП струотурах на основе ваАз и 1пР с плазмохимическими диэлектриками, полученными в условиях ионной бомбардировки с пониженными энергиями, связан с высокой плотностью "медленных" ловушек, перезарядка которых определяется величиной электрического поля в диэлектрике. Это может свидетельствовать о том, что ловушки локализованы не на границе раздела дизлоктрик-подупронодник и обмонивактгся носителями заряда с полупроводником путем тунплирования. Высокая копдагпрадая ловушек в диэлектрике корре.лирус с широкой переходной областью на границе раздела пленка-подложка, как слодует из результатов Оже-ана.лиза. Уровни дырочных ловуш«к в структур« плазмохимический диоксид кремния-ТпР энергетически залегают, в основном, ниже потолка валентной зоны 1пР.

7. В структуре плазмохимический ГП^-СаАз, подучс-нтюй в условиях ио!Р| л бомбардировки с пониженными энергиями имеется высокая плотность ачоктрошгнх ловушек и низкая плотность дырочных ловушек. С. использованием этого диэлектрика в качестве подзлтвпрного изплпплпны нормально-открытые МДП транзисторы ня С.аАз со пстроошшм л-и'йгм, Параметры транзисторов (подвижное.'! ь в канале. бнетродежтвто) соп-пютствуктг уровню аналогичных

зарубежных образцов,

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮ1ЮЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Падеров В.П. Определение концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике методом высокочастотных вольт-фарадных характеристик МДП структур // Сб. научн. тр./ Моск. ин-т электрон, техн. - 1882. - С. 59-62. '

2. Определение концентрации свободных носителей заряда в полупроводника методом высокочастотных 'C-V. характеристик МДП структур / В.П.Падеров, С.А.Неустроев // Электронная техника. Сер.10, Микроэлектронные устройства. - 1982. - Вып.4(34).-С.36-39.

3. Об определении плотности поверхностных состояний в структурах диэлектрик-полупроводник/ В.П.Падеров,С.А.Heyстроев // Электронная техника. Jep.10, Микроэлекгронные устройства. - 1983. - Вып.6(42). С.41-45.

4. Разработка процессов формирования слоев диэлектриков на подложках арсенида галлия и фосфвда индия: Отчет о НИР/ Моск. ин-т электрон, техн.; Руководитель С.А.Неустроев. - Шифр: Чепца-1;

№ ГР-1В30024391: Инв. N02840020969. - М., 1983. - 107 с.

5. Падеров В.П., Волосов A.B., Наустроев С.А. Энергетические параметры высокочастотного тлеющего разряда в плазмохимических реакторах // Тез. докл. 4 Всесоюзного симпозиума по плазмохимии, 42. - Днепропетровск, 1984. - С. 124-125.

6. А. с. 1160762 СССР, МКИ С23С 14/40 . Устройство для плазмохимического осаждения диэлектриков / А.В.Волосов, С.А.йзустроев, В.П.Падеров, Е.Б.Соколов.

7. Падеров В.П., Волосов A.B., Неустроев С.А. Исследование электрофизических свойств структур плазмохимический нитрид кремния - арсенид галлия // Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем: Сб. Всесоюзного научн. техн. семинара. 41. - Рязань, 1984. - С 103-104.

8. Падерюв В.П., Усиков В.Д. Исследование границы раздела плазмохимический нитрид кремния - арсенид галлия / Моск. ин-т элктрон. техн. -М.: 1Ö84. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 01.11.84, ff707<. - 84:

9. Влияние конструкции плазмохимического реактора на

энергетические параметры высокочастотного тлеющего разряда / В.П.Падеров, А.В.Во'осов, С.А.Неустроев // Химия высоких энергия. É^1986.-T.20, W1.-C. 56-60.

P^ni. Падеров В.П. Приб.тмжонпые соотношения для экспресс-расчета электрофизических параметров МДП структур из ВЧ C-V хэ_ чктеристик/ Морд J. ун-т. - Саранск, 1986. -20 с. - Деп. в ВИНИТИ 25.04.86, №3065 - В86.

11. Падеров В.П. Простые методы оценки плотности поверхностных состояния из равновесных ВЧ C-V характеристик МДП структур / Мордов. ун-т. - Саранск, 1987.-13 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.0G.87, №4171 - В87.

12. Усиков В.Д., Падеров В.П. Особенности перезаряда ловушек в диэлектрических пленкаг МДП структур в'сильных электрических полях // Физика окисных пленок: Тез. докл. 2 Всесоюзн. научн. конф. 4.2 -Петрозаводск, 1987. - С. 62-63.

13. Падеров В.П. Метод определения усредненной плотности поверхностных состояний из ВЧ C-V характеристик МДП структур // Проектирование, расчет, моделирование и контроль полупроводниковых приборов и преобразовательных устройств: Межвед. сб. научп. тр. -Саранск, 1987. - С. 17-23.

14. Падеров В.П. Простоя алгоритм расчета спектра шготности поверхностных состояния из ВЧ С-7 характеристик МДП структур // Методы и средства управления технологическими процессами: 'Тез. докл. межреспублик, научн. конф. - Саранск, 1989. - С. 79-80.

Заказ /€>£ тираж 81 Объем /,0 уч.ияд-я Бесплатно

Отпечатано s типографии МП1ЭТ