Исследование токовых флуктуаций в потенциальных барьерах кремниевых поликристаллических структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Г- '

р ( й ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

- И Ь;^

на правах рукописи

КОЛОМОЕЦ ГЕННАДИЙ ПАВЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ В ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ БАРЬЕРАХ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Запорожье - 1993

Работа выполнена в Запорожском индустриальном институте.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Д.И.Левинзон

кандидат физико-математических наук, доцент Н.Н.Ткаченко

доктор физико-математических наук, профессор Н.Б.Лукьянчикова

кандидат физико-математических наук, доцент Ю.А.Швец

Ведущая организация - ОКБ "Элмис" г. Запорожье.

Защита состоится * ^ " М&рмй 1993г. в часов

на заседании Специализированного совета К 068.52.02 при Запорожском государственном университете по адресу: 330055, г. Запорожье, ул. Жуковского, 66. .ч

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Запорожского государственного университета.

Автореферат разослан " / " 1993г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

).А.Сысоев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение природы флуктуационных явлений в полупроводниках и полупроводниковых приборах относится к числу наиболее важных направлений физических исследований. Анализ шумовых характеристик позволяет получать ценные сведения о механизмах протекания физических процессов в объектах. Следует подчеркнуть, что шумовой метод исследования обладает высокой информативностью, поэтому целесообразно его использование при изучении новых материалов и приборов на их основе.

Поликристаллический кремний в настоящее время выдвигается в число наиболее перспективных материалов твердотельной электроники и находит широкое применение в производстве полупроводниковых приборов (интегральных транзисторов, диодов, резисторов, фотоэлементов). Выбор в качестве объекта исследований поликремния представляется обоснованным, так как несмотря на общепризнанную определяющую роль межзеренных границ в формировании свойств этого материала, достаточно полные сведения о характере взаимодействия границ с носителями заряда все же отсутствуют.

Низкочастотный шум, сопровождающий перенос носителей заряда в поликристаллических полупроводниках, связывают, как правило, с существенной дефектностью областей границ зерен. В то же время отсутствует устоявшаяся картина взаимосвязи механизмов генерации шума и процессов, происходящих в объеме и на границах зерен. Исследование низкочастотного шума 1/£-типа представляет собой самостоятельную научную проблему в связи с отсутствием в настоящее время достаточно полной универсальной модели, которая объясняет накопленные экспериментальные результаты исследования шума такого типа.

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование природы низкочастотного электрического шума и определение параметров границ зерен в поликристаллическом кремнии, полученном различными технологическими способами.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Адаптировать методику измерения низкочастотного шума к

поликремниерым образцам и сконструировать экспериментальную установку.

2. Выяснить природу низкочастотного электрического шума в поликремниевых образцах и определить область его генерирования путем исследования флуктуационных характеристик в широком диапазоне токов и частот.

3. Определить значения параметров границ зерен, характеризующих их влияние на поведение и уровень низкочастотного электрического шума.

Научная новизна работы.

1. Дано объяснение нелинейности токовой зависимости шума единичных активных границ зерен с учетом влияния на процессы захвата-эмиссии носителей на граничные состояния электрического поля обратносмещенной части областей пространственного заряда на границах.

2. Обнаружен минимум в зависимости шума поликремниевых резисторов от уровня легирования, существование которого объясняется изменением роли дефектных областей границ зерен в формировании низкочастотного шума.

3. Для слаболегированных поликремниевых пленок с помощью шумового метода исследований получено распределение эффективной плотности граничных состояний.

4. Предложена интерпретация сверхлинейной токовой зависимости низкочастотного шума тока базы транзисторов, связанная с учетом влияния градиента концентрации примеси на флуктуации подвижности носителей заряда.

5. Обнаружены аномалии вольтфарадной характеристики эмит-терного р-п перехода, обусловленные существованием границы раздела поликремний-монокремний.

6. Предложен и реализован низкочастотный метод измерения сопротивления квазинейтральной эмиттерной области, а также метод оценки шума квазинейтрального эмиттера.

Практическая ценность работы.

1. Предложен и реализован метод измерения сопротивления квазинейтрального эмиттера при тестировании низкочастотным сигналом транзистора, включенного в схеме с разомкнутым коллектором.

2. Разработан и реализован метод оценки избыточного шума квазинейтральной эмиттерной области.

3. Модифицирована методика измерения токового шума образцов с четырехзондовой конфигурацией, что позволило повысить точность измерений.

4. Результаты исследования токовых флуктуации и эффекта токовой подстройки сопротивления поликремниевых резисторов позволили предложить их в качестве регулируемого элемента для монолитных линий задержки.

Разработки защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение.

Достоверность полученных результатов подтверждается соблюдением необходимых требований по метрологическому обеспечению эксперимента и математической обработки результатов измерений, согласованностью между разработанными модельными представлениями и полученными экспериментальными результатами, включая данные других авторов, соответствием предложений и выводов нормам практического материаловедения и приборостроения.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования низкочастотных электрических флуктуаций, сопровождающих перенос носителей заряда в образцах с единичными границами зерен, и утверждение о связи низкочастотного шума электрически активных границ зерен с генерацион-но-рекомбинационными флуктуациями заселенности граничных состояний.

2. Результаты исследования токового шума пленочных поликремниевых резисторов и утверждение о том, что его природа в этом случае связана с рассеянием носителей заряда.

3. Утверждение о связи наблюдаемого в поликремниевых резисторах при концентрациях примеси Я^я 2-1019см"3 минимума шума с изменением вклада дефектных областей границ зерен в формирование флуктуаций.

4. Обоснование природы источников флуктуаций в транзисторе с поликремниевым контактом к эмиттеру, включенном в схеме с общим эмиттером.

5. Методы определения сопротивления и низкочастотного шума квазинейтрального эмиттера при включении транзистора в схеме с

разомкнутым коллектором.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на V Всесоюзной конференции "Флуктуационные явления в физических системах" (Вильнюс, 1988г.), на III конференции молодых ученых, новаторов производства, организаторов НТТМ (Запорожье, 1988г.), на заседаниях Всесоюзной научно-технической школы "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1989г., Черноголовка, 1990г.), на XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990г.), на VII Международной конференции "Микроэлектроника-90" (Минск, 1990г.), на VI научной конференции "Fluctuation Phenomena in Physical Systems" (Паланга, 1991г.), на Международной конференции "Microelectronics'92я (Варшава, 1992г.), на научных семинарах кафедр компонентов и материалов электронной техники ЗИИ (Запорожье, 1992г.), физической электроники ХИИ (Херсон, 1992г.), совместном научном семинаре кафедры компонентов и материалов электронной техники ЗИИ и кафедры твердотельной электроники и микроэлектроники ЗГУ (Запорожье, 1992г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 161 страницах, включая 61^ рисунков и список литературы из 142 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, указаны ее новизна и практическая ценность, а также перечислены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных результатов исследования электрических и шумовых свойств поликристаллического кремния и транзисторов с поликремниевым контактом к эмиттеру. Подчеркивается доминирующая роль границ зерен в определении электрических и шумовых свойств образцов. Рассмотрены модели низкочастотного шума в поликремнии, в которых источником флуктуаций считают либо флуктуации заселенности локализованных на границах зерен элек-

тронных состояний, либо флуктуации подвижности носителей заряда при их рассеянии в областях пространственного заряда на границах. Рассмотрены основные электрические свойства транзисторов с поликремниевым контактом к эмиттеру, приведены результаты измерений токовых флуктуаций в таких структурах. На основании анализа существующей информации выяснены проблемы в данной области исследований и сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки и методики измерения шумовых характеристик (последовательная аналоговая фильтрация). Обоснована необходимость четырехзондо-вой конфигурации образцов для исключения контактного шума. При этом обращается внимание на тот факт, что избыточный токовый шум не возникает в областях потенциальных зондов вследствие практического отсутствия протекания по ним тока. Это учтено в модифицированной методике измерений токового шума четырехзон-довых образцов.

Приведено описание технологических процессов изготовления опытных образцов:

а) единичных границ зерен с различной степенью дефектности и различной ориентацией относительно направления тока основных носителей заряда, изготовленных из кристаллов кремния, выращенных методом Степанова (Б! <В>, Ы^» 101бсм"3);

б) мелкозернистых пленочных поликремниевых резисторов различного уровня легирования (Б1 <В>, На« 2-1017- 2-10госм"3), полученных методом газофазного химического осаждения при пониженном давлении;

в) интегральных биполярных п^-р-п транзисторов с поликремниевым контактом к эмиттерной области.

Третья глава посвящена исследованию электрических и шумовых характеристик единичных границ зерен. Показано, что степень разупорядочения кристаллического строения границ коррелирует с высотой потенциального барьера, возникающего вследствие захвата носителей на незаполненные электронные связи, а также с величиной и формой спектра флуктуаций напряжения, прикладываемого к границе. Установлено, что с помощью шумового метода исследований можно определить влияние на прохождение тока границ, параллельных его направлению, в то время как анализ элек-

трических характеристик (удельного электросопротивления, хол-ловской подвижности) это влияние не обнаруживаем.

Существование низкочастотного плато и 1/1:-участка в спектре шума границы зерна высокой степени кристаллического несовершенства (так называемой электрически активной границы), перпендикулярной направлению тока, позволило использовать модель, в которой источником шума предполагаются флуктуации заселенности граничных состояний. Измеряемый шум термоэмиссионного тока вызывается флуктуациями высоты потенциального барьера на границе, которые связаны с малым генерционно-рекомбинационным током захвата-эмиссии носителей на граничные состояния. Наличие в спектре участка 1/£-типа объяснено статистическим распределением высоты потенциального барьера вдоль границы. В рамках этой модели по данным измерений шума рассчитаны распределение плотности граничных состояний Явв, сечение захвата ловушек и среднее статистическое отклонение высоты потенциального барьера на границе. Рассчитанные значения N для

8 8

границ зерен профилированного кремния оказываются больше соответствующих значений для границ, полученных другими методами (Рис. 1).

Предложено объяснение экспериментально наблюдаемой нелинейной токовой зависимости шума на границе, заключающееся в учете влияния электрического поля обратносмещенной части области пространственного заряда границы на кинетику процессов захвата-эмиссии носителей на зернограничные состояния. Расчет, выполненный на основе статистики Шокли-Холла-Рида, показывает, что интенсивность эмиссии носителей с локализованных состояний увеличивается с ростом прикладываемого к границе смещения, что приводит на практике к уменьшению низкочастотного шума над-барьерного тока.

Показано, что полученные для единичной границы зерна шумовые характеристики не могут быть адекватно объяснены в рамках известных моделей шума, базирующихся на предположении о флук-туациях подвижности носителей в качестве источника шума.

В четвертой главе приведены результаты исследования электрических и шумовых характеристик поликремниевых резисторов различного уровня легирования. С ростом концентрации легирующей примеси в диапазоне N « 2-1017- 2>10госм"3 наблюдается

1В141М»'

1ЕИ

1Е1е

1Е11

ев-1 стп *

0.90 0.40 0.50 0.60 0.70

Е, «В

уменьшение эффективной высоты потенциального барьера на границах зерен, что связано с увеличением уровня легирования самих зерен поликремния. 1/£-форма спектров шума и пропорциональные квадрату тока токовые зависимости шума, полученные для всех образцов, могут быть непротиворечиво объяснены в рамках моделей фликкер-шума, источником которого считают флуктуации подвижности носителей заряда в областях потенциальных барьеров на границах. В таких моделях влияние зернограничных состояний на перенос носителей заряда проявляется опосредованно: величина Нвв определяет размер области, в которой происходит рассеяние носителей. На основе этих предпосылок получено энергетическое граничных • состояний для

Рис. 1. Распределение плотности граничных состояний: 1- в единичной границе зерна; 2- в слаболегированном поликремниевом резисторе.

распределение эффективной плотности слаболегированного поликремниевого резистора (Рис. 1).

Зависимость параметра а , значение которого пропорционально интенсивности флуктуаций в поликремниевых резисторах, от уровня легирования обнаруживает минимум в области концентраций

2'1019см"3 (Рис. 2), в то время как зависимости электрических параметров (удельного электросопротивления, эффективной высоты потенциального барьера на границах зерен) были монотонными. Монотонную зависимость ан от уровня легирования предсказывает используемая теория фликкер-шума. Обнаруженное в проведенном эксперименте существование минимума шума объяснено изменением роли дефектных областей границ зерен в формировании низкочастотного шума при изменении уровня легирования. Уменьшение значения «н в диапазоне уровней легирования N « 2>1017-2-1019см"3 объясняется снижением эффективной подвижнос-

ти носителей заряда, что обусловлено спецификой физических процессов, происходящих в области границ зерен. Повышение уровня шума при концентрациях, больших 2-Ю19 см-3, связывается с уменьшением влияния границ зерен на токопрохождение. В этом случае механизм формирования шума определятся процессами

в зернах.

Следует подчеркнуть, что особая роль границ зерен в области концентраций, при которых наблюдается минимум шума, проявилась также в возникновении эффекта увеличения сопротивления резисторов при пропускании тока высокой плотности.

Пятая глава содержит результаты исследований электрических и шумовых свойств транзисторов с поликремниевым контактом к эмиттеру. Величина шума коллекторного тока транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером, зависит от значения сопротивления во входной цепи. При разомкнутом входе транзистора источником избыточного шума 2- теория. тока коллектора являются избыточные

флуктуации тока базы, переданные в выходную цепь. Природа этих флуктуаций связана с процессами диффузии неосновных носителей заряда в эмиттерной области. Нелинейность токовой зависимости этого шума объяснена влиянием на диффузию носителей встроенного электрического поля, возникающего вследствие неоднородного легирования областей транзистора. Проведенный расчет и компьютерное моделирование токовой зависимости шума подтверждают возможность такого объяснения.

При коротком замыкании по переменному сигналу входа транзистора шум тока коллектора связан с модуляцией .толщины квазинейтральной области базы. Модуляция базы возникает вследствие флуктуаций размеров областей пространственного заряда р-п переходов, которые могут возникать из-за генерационно-рекомбинационых процессов в этих областях. На основе анализа частотнонезависимого шума, наблюдаемого в этом случае на частотах {г: 1 кГц, рассчитаны значения последовательного сопротивления области базы транзистора. Отмечено, что влияние поликремниевого контакта к эмиттеру на шумовые свойства транзисторов в схемах включения с общим эмиттером и общей базой чаще всего не проявляется.

Ом

Ма, опт*

Рис. 2. Зависимость параметра ан от уровня легирования резис-

Проведено детальное изучение электрических и шумовых свойств поликремниевого эмиттера. Приведены результаты, свидетельствующие о наличии аномалий на вольтфарадных характеристиках эмиттерного р-п перехода: высоких напряжений отсечки и отклонения от линейной зависимости С"г(УвЕ) при напряжениях, близких к нулю. Эти аномалии объясняются присутствием в эмиттере границы раздела поликремний-монокремний и связанным на ней электрическим зарядом. Измерение величины сопротивления последовательной эмиттерной области г*в на постоянном электрическом сигнале оказалось затруднительным. Предложен метод определения г^ при тестировании транзистора, включенного в схеме с разомкнутым коллектором, низкочастотным переменным сигналом.

Учитывая, что шум поликремниевого эмиттера в традиционных схемах включения не проявляется, предлагается способ оценки величины этого шума при включении транзистора в схеме с разомкнутым по постоянному току коллектором. Выполненный расчет показывает, что измеренные в такой схеме включения флуктуации напряжения на коллекторе БусЕз связаны с флуктуациями сопротивления квазинейтрального эмиттера Б^:

Б = ое"23 + Б -I2

УСЕЭ I Ч ] 1 « Ив В

Полученное экспериментально значение "шумности" (8Кв/г2) квазинейтрального эмиттера совпало со значением "шумности" поликремниевого резистора, изготовленного аналогичным способом при том же уровне легирования.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Электрические флуктуации в поликристаллическом кремнии с низкими и средними уровнями легирования обусловлены физическими процессами, протекающими на границах зерен.

2. Природа электрического шума в поликремнии может быть связана как с флуктуациями заселенности локализованных на границах зерен электронных состояний, так и с рассеянием носителей заряда в областях пространственного заряда на границах. При этом первая из названных причин возникновения шума характерна для слаболегированного поликремния с высокой степенью структурного несовершенства границ зерен.

3. Шумовым методом получены распределения плотности граничных состояний для образцов поликристаллического кремния, изготовленных различными технологическими способами. Полученные результаты находятся в согласии с распределениями, рассчитанными путем анализа электропроводности образцов. Установлено, что поликремний, полученный методом химического газофазного осаждения при пониженном давлении, обладает более высокой степенью структурного совершенства, чем поликремний, полученный способом Степанова.

4. Определены источники низкочастотного шума в транзисторах с поликрекниевым контактом к эмиттеру. В условиях холостого хода во входной цепи транзистора шум тока коллектора определяется усиленным шумом тока базы, связанным с флуктуациями подвижности носителей, диффундирующих в квазинейтральной эмит-терной области. В условиях короткого замыкания входа транзистора шум тока коллектора связан с модуляцией толщины области базы.

5. Влияние электрических флуктуаций в поликристаллическом эмиттере на шумовые свойства транзисторов в общем случае не проявляется вследствие более высокого уровня шума включенного с ним последовательно р-n перехода. Предложенный метод, разработанный на основе модели Эберса-Молла, позволяет, оценить величину шума поликремниевого эмиттера.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П. Низкочастотный шум кремниевых гетеропереходов/Тез.докл. V Всесоюзн. конф. "Флуктуационные явления в физических системах".-Вильнюс.-1988. -С.73-75.

2. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Мельник О.В. Низкочастотные токовые шумы в кремниевых гетеропереходах/Тез.докл. III конф. молодых ученых, специалистов, новаторов производства, организаторов НТТМ.-Запорожье,1988.-С.86.

3. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П. Исследование электрических характеристик активных элементов СВИС/Тез.докл.III конф. молодых ученых, новаторов производства, организаторов НТТМ. -Запорожье.-1988.-С.86.

4. Крломоец Г.П., Гаращенко Н.П., Киричек В.В., Савченко Т.В. Исследование гетеропереходов в активных элементах полупро-

водниковых структур/"Компоненты и материалы электронной техники" Сб. научн. трудов. Под ред. Д.И.Левинзона.-Киев: УМКВО.-1989.-С.64.

5. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П. Избыточный "белый" шум в поликремниевых биполярных транзисторах/Тез.докл. Всесоюзн. на-учно-техн. школы "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах".-М.-1989.-С.42-43.

6. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Федотов А.К. Токовый шум границ зерен кремния/Тез.докл.XII Всесоюзн. конф. по физике полупроводников.-Киев.-1990.-Ч.2.-С.64.

7. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Федотов А.К., Ильящук D.H. Исследование низкочастотного токового шума межзеренных границ поликристаллического кремния/Тез.докл.н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" .-Черноголовка.-1990.-С.16-17.

8. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Мелентьев Н.Г. Токовый шум поликремниевых резисторов/Тез.докл.н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" . -Черноголовка . -1990 . -С . 21-22 .

9. Ткаченко H.H., Гаращенко Н.П., Назаренко В.Н., Коломоец Г.П. Пленки поликристаллического кремния в эмиттерах биполярных транзисторов/Тез.докл.VII Междунар. конф. Микро-электроника-90".-Минск.-1990.-Т.1.-С.109.

10. Ткаченко H.H., Левинзон Д.И., Коломоец Г.П. Барьерная емкость гетеропереходов на основе поликристаллического кремния/Тез. докл. XII Всесоюзн. конф. по физике полупроводников.-Киев.-1990.4.2.-С. 193.

11. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П., Федотов А.К., Ильящук Ю.М., Снапиро И.Б. Токовый шум границ зерен в поликристаллическом кремнии//ФТТ.-1991.-Т.33,N5.-С.1593-1595.

12. Tkachenko N., Kolomoets G. Low-frequency noise of grain boundaries in semiconductors/Proc. of the 6th Sei. Conf. on Fluctuation Phenomena in Physical Systems, Palanga, Lithuania.-1991.-P.95-96.

13. Ткаченко H.H., Коломоец Г.П. Избыточный шум в биполярных транзисторах с поликремниевым эмиттером//УФШ.-::1991.-Т.36, N6.-С.917-923.

14. Ткаченко H.H., Гаращенко H.П., Назаренко В.H., Коломо-

ец Г.П. Транзисторы с поликристаллическини слоями в области эмиттера//Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы.-1991.-Вып.1(210).Деп. рукопись NP5443.

15. Tkachenko N., Levinzon D., Kolomoets G. Current noise in bipolar transistors with polysilicon emitters/Proc. of the 6th Sci. Conf. on Fluctuation Phenomena in Physical Systems, Palanga, Lithuania.-1991.-P.177-179.

16. Tkachenko M.M., Kolomoets G.P., Melentjev N.G. Polycrys-talline resistors with current-induced tuning of electrical parameters/Proc. of Int. Conf."Microelectronics'92", 21-23 September,1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992.-V.1783.-P.223-243.

17. Tkachenko M.M., Kolomoets G.P., Nazarenko V.N. Parameter determination of the polysilicon emitter interface for bipolar transistors/Proc. of Int. Conf."Microelectronics 92", 21-23 September,1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992.-V.1783.-P.223-232.

18. Коломоец Т.П., Ткаченко H.H., Левинзон Д.И., Назаренко В.Н. Исследование характеристик границы раздела в поликремниевых эмиттерах биполярных транзисторов//Микроэлек-троника. -1992.-Т.21,вып.6.-С.36-39.

19. Мелентьев Н.Г., Остренко' Д.В., Ткаченко Н.Н., Снапи-ро И.Б., Коломоец Г.П. Линия задержки с регулируемыми параметрами. Заявка на изобретение N 4858563/22 от 8.08.90г, положительное решение от 28.04.92г.

20. Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В., Ткаченко Н.Н., Снапи-ро И.В., Коломоец Г.П. Способ подгонки величины сопротивления поликристаллического резистора. Заявка на изобретение N 4845656 от 2.07.90г. Положительное решение от 29.04.92г.