Изучение взаимодействия электронной и ионной подсистем в структурах диэлектрик - полупроводник тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 025.382.011.710

РОДИОНОВА Елена Викторовна

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ И ИОННОЙ ПОДСИСТЕМ В СТРУКТУРАХ ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК

специальность 01.04.10 физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ имени К.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

профессор В.В.Поспелов - кандидат физико-математических наук ст. научный сотрудник В.М.Масловский

Ведущая организация - НИИ "Пульсар"

Защита состоится 1992 г. в !.... часов

на заседании Специализированного Совета №2 К 053.05.20 ОФТТ в Московский Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 2-05 криогенного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан "г.." 1992 г. ■

Ученый секретарь Специализированного Совета К2 К 053.05.20 ОФТТ МГУ им. М.В.Ломоносова

профессор С.Н.Козлов

кандидат физико-математических нау]

Г.С.Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность тоны. Функционирование микроэлектронных приборов и интегральных схем связано с протеканием процессов переноса электронного и ионного зарядов в полупроводнике и диэлектрическом слое. Важную, а зачастую опредолявдуп роль в работе микросхем играет явления, происходящие на поверхности диэлектрических пленок.

Проблема поверхностного ионного дрейфа оставалась актуальной на всех этапах развития полупроводниковой электроники. Дрейф биографических и генерируемых в процессе эксплуатации приборов заря1енных частиц по поверхности диэлектрических слоев является паразитным эффектом, приводящим к неконтролируемым изменениям таких характеристик, как обратные токи р-п-переходов, коэффициент усиления транзисторов, пороговое напряжение полевых приборов и т.д. В настояцез время, благодаря внедрению в практику соЕерион-ных технологических методов (ионной имплантации, электроннолучевой литографии, окисления в хлоросодержащей среде) проблему получения стабильных изолиругщих слоев, лишенных посторонних электрически-активных примесей, в принципе можно считать ревенной. При низкой объемной проводимости диэлектрических пленок основное влияние на нестабильность характеристик микроэлектронных приборов в реальных условиях их эксплуатации оказывают миграционные процессы на поверхности диэлектрика или межслоовых границах раздела диэлектрических пленок. Процесс миграции нонсв пс внешней поверхности пассивирующих или защитных покрытий при прило1бнни электрического поля обуславливает появление паразитных токов утечки, а также изменение распределения потенциалов по поверхности, диэлектрического слоя, нарушая оптимальные рабочие режимы приборов. Как показывает статистический анализ причин отказов, одним их основных механизмов деградации интегральных схем является повврхностная миграция ионов.'

Особый интерес с точки зрения практических приложений представляет базовая для полупроводниковой микроэлектроники система кремний-двуокись кремния. Поэтому в данной работе экспериментальные исследования в основном проводились на структурах 31-3 Юг, изготовленных по совраменной пленарной технологии.

В настоящее время большое внимание уделяется проблей"

взаимосвязи электронных и атомно-молекулярных процессов в объеме и на поверхности твердого тела. Поэтому нам представлялось актуальным попытаться изыскать возможности управления процессом поверхностной миграции ионов путем электронного возбуждения системы диэлектрик-полупроводник (ДП) и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Исследование процессов переноса ионного заряда по поверхности диэлектрика представляет также существенный интерес в свя8и с проблемами, стоящими перед биофизикой и биозлектронихоЗ. Перенос протонов по гидратированной поверхности диэлектрика происходит по сетке водородных связей, как и в биологических системах (в частности, в клеточных мембранах). Поэтому можно предположить, что выяснение механизма такого переноса поможет глубже понять такие' основополагащие явления, как транспорт энергии в биологических системах, протонная "накачка" в клеточных мембранах и др.

ЦЕЛЬ ДБОТЫ:

1. Лровести экспериментальное исследование процессов переноса протонов по гидратированной поверхности диэлектрика и изучить влияние инхвкции электронов и дырок из полупроводника в диэлектрический слой на поверхностно миграцию ионов.

2. Изучить возможность спектральной сенсибилизации миграции ионного заряда по поверхности диэлектрика путем фотовозбуждения адсорбированных на поверхности диэлектрического слоя молекул красителей и исследовать закономерности этого эффекта.

3. Разработать новые методы определения подвижности ионов на поверхности диэлектрических пленок, пригодные для исследования обычных МДП-конденсаторов и не требующие для реализации создания специальных тестовых структур.

4. Провести комплексные исследования закономерностей установления стационарной проводимости поверхностного гидратного покрова скисного слоя и кинетики накопления ионного заряда на поверхности диэлектрика в различных условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Обнаружен новый эффект - инжекционно-стимулированное ускорение миграции ионного заряда по поверхности йЮг при

фотоинжекцин злектронов из кремниевой подложки в окисный слой.

2. Впервые реализован эффект спектральной сенсибилизации поверхностной миграции ионов адсорбированными молекулами красителей в системе зьБЮг-молекулы красителя во влажных средах. Изучены закономерности этого эффекта, доказана возможность ускорения ионного дрейфа в несколько раз при фотовозбуждении системы в узкой полосе поглощения молекул красителя.

3. Впервые реализованы комплексные одновременные измерения кинетики протекания поверхностного ионного тока и расширения заряженных областей на поверхности эьБЮг. На основании этих измерения выяснена роль "классического" и прототропного механизмов переноса протонов по гидраткрованной поверхности.

4. Предложены и реализованы новые методы измерения поверхностной подвижности ионов в системе полупроводник-диэлектрик, основанные на изучении _ кинетики релаксации высокочастотной емкости !Щ-структуры в режиме сильной инверсии после вклшения и выклпчения напряжения между металлический электродом и полупроводниковой подложкой.

АВТОР ЗДЦИЩАЕТ:

1. Новые методы определения подвижности ионов на поверхности диэлектрических пленок, применимые для исследования МДП-струхтур лябых типов.

2. Новые данные о возможности управления процессом поверхностной миграции ионов с помощью ннжекции свободных носителей заряда из проводящей подложки в диэлектрическуо лленку..

3. Новую информацию о возможности сшзктральной сенсибилизации эффекта поверхностной миграции ионов при фотсвозбуядении адсорбированных на поверхности диэлектрика молекул красителей.

4. Развитые в работе представления о механизмах процесса переноса протонов по гидратированной поверхности диэлектрика:, протекание протонных токов по одномерным цепочкам Бзрна'ла-Фаулера я заряжение поверхности диэлектрика за счет "классического" ионного нассопереноса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

Разработанные методы определения поверхностной миграционной нестабильности НДП-структур иогут быть использованы на предприн-

тиях электронной промышленности для экспресс-анализа качества продукции.

Обнаруженный эффекты сенсибилизации поверхностной ионной миграции могут оказаться полезными при разработке газовых сенсоров нового типа.

Полученные экспериментальные результаты можно использовать для прогнозировании ионно-дрейфовой нестабильности микросхем в различных режимах функционирования аппаратуры.

АПРОБАЦИЯ. Основные результаты диссертации докладывались на Iii Всесоюзной конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск, 1991г.) и на Московском общегородском семинаре по физике поверхности полупроводников (Москва, 1991 и 1992 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Она содержит 125 страниц текста, 80 рисунков, две таблицы и список литературы из 136 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во цв-.дении обоснована актуальность проблемы поверхностной ионной миграции, сформулированы задачи исследования, перечислены положения, выносимые на защиту. Обоснованы научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глаЕа диссертации посвящена обзору литература. В этой главе кратко изложены основные представления физики систем ДП и МДП, изложен нзтод равновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик. Рассмотрены строение и свойства аморфной двуокиси кремния, а также характеристики системы Si-Si02. Описана структура объемной фазы воды, роль водородных связей в формировании ее свойств. Обсуждаится два возможных механизма электропроводности в объеме воды - "классическая" гидродинамическая миграция и прототропный перенос протонов по цепочке водородно-свя8анных молекул НгО ("нгл'нм Бернала--Фаулера"). Рассмотрены механизмы адсорбции молекул воды на поверхности диэлектрика, строение гидратного покрова и поверхностная проводимость диэлектрика во влажных средах.

Изложена диффузионно-дрейфовая модель ионной миграции по поверхности ДП-структур и приведена информация о предлохенных ранее способах определения характеристик миграционного процесса: поверхностной проводимости с, концентрации ионов п0 и их подвижности tJ. Обсугдаются возможные способы релаксации энергии электронного возбухдения молекул красителей, а такхе эффекты сенсибилизации различных электронных процессов молекулами органических красителей, адсорбированными на поверхности твердого тела. Отмечается возмохность переноса энергии между возбужденными молекулами красителей и акцепторами энергии по индуктивно-резонансному механизму. В конце главы сформулированы выводи к обзору литературы и обоснованы задачи диссертационной работы.

Во второй главе опис?на методика эксперимента. Исследования проводились на структурах БЬЗЮг-мвталд, изготовленных на базе кремния п- и р-типов провсдимости с концентрацией легируюцей принеси N = 1015см~3 и различной толщиной окисла (1000 и 5000 д): Слой двуокиси кремния получайся термическим окислением в сухом кислороде.

Использовались образцы с металлическими электродами (затворами) различной формы: круглыми, а также в виде одинарных и сопрягенных "гребенок". Непрозрачные электроды нэ алгминия и молибдена наносились на поверхность siOj методом термического распыления в вакуумб с последующей фотолитографией.

• МДП-структуры с металлическими электродами простой формы применялись для разработки и апробирования новых методов определения подвитоети заряда на поворхности диэлектрического слоя. Использование "гребенчатых" затворов с большой величиной отношения периметра к площади позволяло повысить чувствительность методики и проводить измерения в условиях низких влахностей. Для изучения поверхностных токов в системе ИДИ к миграции поверхностного заряда использовались образцы с двумя близкорасположенными металлическими электродами в форме сопряхенных "гребенок".

Необходимое давление паров воды в измерительной ячейке задавалось и контролировалось термсстатированиеи -ампулы с адсорбатом при соответствуют температуре. Для проведения ¡Еотоинжекционных измерений в ячейке имелось кварцевое окно, позволившее осуществлять с помощью оптической системы засветку

образца в видимой и ближней ультрафиолетовой области (Ьу = 2.0-5.8 эВ).

При изучении процесса миграции ионов по поверхности диэлектрического слоя НДП-структур испольэовались высокочастотный (ВЧ) су-метод и метод поверхностной ионной проводимости. Равновесные- ВЧ вольг-фарадныэ характеристики НДП-структур измерялись с помощью моста переменного тока на частоте 165 кГц. Измеряемые поверхностные ионные токи и фототоки в зависимости от условий экспериментов находились в пределах 10~1В-10"7 А и регистрировались электрометрическим усилителем В7-30.

Третья глава посвящена разработке и экспериментальному апробированию новых методов определения подвижности заряженных частиц, мигрирующих по поверхности диэлектрического слоя МДП-. структур..' Эти методы основаны на изучении кинетики возрастания и уненьиени:. высокочастотной равновесной емкости структуры в режиме сильной иь.,орски после включения и выключения напряжения смещения на затворе. Преимущество предложенных методов состоит в том, что в отличие от существующих экспериментальных методик они могут быть реализованы при измерениях на стандартных НДП-структурах без дополнительных тестовых каналов и инверсионных областей.

В раздоле 3.1 описан процесс заряжения поверхности, диэлектрика при подаче положительного напряжения на затвор М'ДП-структуры с подложкой р-типа, помещенной в пары воды. При этом в краевом электрическом поле затвора происходит диссоциация адсорбированных молекул воды и разделение образовавшихся ионов -гидроксилы подходят к металлу и разряжаются на нем, а протоны мигрируют по поверхности, удаляясь от края электрода. Под действием инвертирующего напряжения происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника, находящегося непосредственно под металлом. В результате регистрируется увеличение ВЧ-емкости МДП-структуры в режиме сильной инверсии. По кинетике расширения инверсионной области в приближении линейного распределения поверхнестного потенциала на начальном этапе процесса заряжения можно определить подвижность мигрирупух частиц по формуле

где г("Ь) - радиус заряженной области на поверхности диэлектрика в момент времени измерения проведены при комнатной температуре в широком диапазоне относительных влажностэй Р/Рв = 0.4-0.9. Полученные предложенным методом величины ^ в идентичных условиях хоропо . согласуются с литературными данными по подвижности протонов, мигрирующих на поверхности 810г во влажной среде.,

В разделе' 3~.2 пр~одложон "новый экспресс-метод для оценки поверхностной подвижности ионов, основанный на измерении кинетики "рассасывания" поверхностного заряда диэлектрика после выключения напряжения на затворе МДП-струнтуры. Описана процедура снятия релаксационных емкостных кривых. Избыточный ионный заряд на поверхности БЮг создавался путем выдерживания структуры во влажной среде под напряжением. После соодинения затвора с подложкой начинается стекание поверхностного заряда диэлектрика, н происходит постепенное ухудшение электрического контакта между подзатворной и периферийной -областями инверсии в кремнии и, сооответственно, наблюдается уиэньпение ВЧ-амкости МДП-структуры." Показано, что кинетика спада БЧ-енкости в режиме сильной инверсии после выключения напряжения значительно более быстрая, чем кинетика возрастания емкости в аналогичных условиях поело подачи напряжения на затвор.-В этом случае поверхностная подвижность также может быть определена по формуле (1), где Дг - ширина разряженной области на поверхности диэлектрика в момент времени г, ув - напряжение зарядки МДН-структуры. В процессе разрядки поверхности можно выделить два момента, удобные для определения повержностной подвмсности - зто начало "отсечки" перифеиийкого инверсионного слоя, когда Дг = д.ох (<ь* - толцнна окисла), и полная "отсечка", когда расстояние Дг приблизительно равно удвоенной .максимальной аиринэ истощзнного слоя Нага*х.

Показано, что полученные предложенными .методами величины подвижности протонов на поверхности эюг с использованием разных-методов (по росту и по спаду ВЧ-емкости) хороао согласуются между собой и с литературными данными.

В разделе 3.3 показано, что емкостной метод определения подвижности зарядов на поверхности: диэлектрика применят* для НДП-структур с затворами произвольной формы, в частности, в виде

- а -

"гребенок". Отмечено, что в последнем случае появляется дополнительные возможности получения информации о темпе миграции заряженных частиц по поверхности диэлектрика.

Показано, что на кинетических кривых увеличения ВЧ-емкости МДП-структуры с "гребенчатым" затвором после подачи инвертируще-го напряжения можно выделить две стадии процесса заряжения поверхности диэлектрика во влажной среде. В координатах Дг(г1/'2) кинетические зависимости имеют два хорошо"выраженных прямолинейных участка. Показано, что на первой стадии происходит заполнение заряженными частицами внутренних областей гребенки, на второй ее стадии ионный заряд равномерно распространяется во все стороны от затвора. Предложен экспресс-метод определения подвижности мигрирующих по поверхности диэлектрика зарядов, основанный на регистрации момента перехода от первой стадии зарядки ко второй.

В разделе 3.4 разработан еще один метод определения подвижности заряженных частиц на поверхности диэлектрического .слоя в МД1- структурах с двумя близкорасположенными металлическими электродам . Было показано, что при подаче на металлический электрод отрицательного смещения, когда на поверхности окисла происходит накопление отрицательного ионного заряда, вычисленные подвижности мигрирующих частиц практически равны подвижностям протонов в аналогичных условиях (при положительном заряжении внешней границы БЮг). Отсюда сделан вывод, что отрицательное заряжение поверхности диэлектрика, как и положительное, осуществляется за счет перемещения протонов (в первом случае протоны "уходят" с поверхности Б Юг и на ней остается 'отрицательный заряд, а во втором - протоны накапливаются на поверхности).

Предложен новый метод определения поверхностной подвижности ионного заряда по времени прохождения ионами расстояния между двумя соседними затворами. Он основан на регистрации момента "смыкания" инверсионных областей под затворами, расстояние между которыми известно. Рассчитанные разными способами ввличины поверхностной подвижности в зависимости от давления ^(Р/Ра) совпадают и находятся в качественном согласии с данными, полученными на образцах с круглым затвором.

Глава четвертая посвящена изысканию возможностей управления процессом поверхностной миграции ионов, используя взаимосвязь

_ д _

электронной и ионной подсистем. Для электронного возбуждения системы ДП применялись два способа - (¡отокнжекция носителей заряда из полупроводниковой подложки в окисел и электронное возбуждение адсорбированных на поверхности диэлектрика молекул красителя.

В разделе 4.1 получены предварительные сведения о возновкости осуществлении фотоинжекции электронов из кремния в слой эюг в периферийной области МДП-структуры. Поскольку целью работы было исследование взаимодействия поверхностного ионного заряда с инжектированными в диэлектрик электроламп, основное внимание уделялось процессам, происходящим на поверхности окисла, свободной от металла. Исследовалось протекание сквозных фотоиняэкцпонных токов в МДП-структурах с непрозрачными металлическими электродами. В этих условиях фототоки протекает только в узкой области вблизи края металлического электрода. Показано, что измерение спектральной зависимости "краевого" фотоинзекционного тока позволяет- получить информацию об энергетической зонной диаграмма МДП-структуры.

Приведены результаты экспериментов по изучению взаимосвязи между фотоинжекционныни токами через структуру и процессами заряжения поверхности окисла. Обнаружэна корреляция между зарядовым состоянием поверхности диэлектрика и величиной фототока - при положительно заряженной поверхности гюг наблюдалось увеличение протекающих через МДЛ-структуру инжекционных токов по сравнению со случаем незаряженной поверхности. Уменьшение поверхностного заряда зюг происходило, когда энергия световых квантов превышала порог фотоинжекции электронов из крвннчя в окисел > 4.5 зВ).

Экспериментально доказана взаимосвязь между релаксацией "краевого" фотоишекционного тока из кремния в слой 5Ю2 и процессами разрядки поверхностного ионного заряда диэлектрика. В процессе разрядки инжекционные токи постепенно уменьшались и приближались к исходному значению, соответствующему свободной от заряда поверхности диэлектрика. Поскольку часть этого тока ответственна за нейтрализацию поверхностного ионного заряда, то измерение зависимости йотокнжекционного тока от времени позволяет получать информацию о кинетике взаимодействия ионной и электронной подсистем на поверхности диэлектрика, а также проводить оценки концентрации ионов и нейтральных электронных

центров захвата в приповерхностном слое диэлектрической пленки.

Предприняты попытки исследовать взаимодействие инжектированных в диэлектрик дырок с отрицательным поверхностным зарядом Sic>2. При облучении НДП-структуры, на поверхности которой накоплен отрицательный заряд, квантами света с энергией hf = 4.2-5.8 ¿В уменьшения величины поверхностного заряда окисла не наблюдалось. Полученный результат объясняется тем, что из-aq большой концентрации электронных ловуиек в приповерхностном слое SIO2 захват электронов "компенсирует" захват дырок, так что суммарный отрицательный заряд поверхности диэлектрика не скихается.

В разделе 4.2 представлены данные о влиянии инхекции носителей заряда из кремния в сдой SiOz на миграцию ионов по поверхности окисла. Измерялись кинетические кривые релаксачии ВЧ-емкости заряженной НДП-структуры во влажных средах после выключения электрического поля на затворе в темноте и при исвещении квантами света с энергией h^ = 5.S эВ. Обнарухен новый эффект - инхекционно-стннулированное ускорение миграции ионного заряда по поверхности SiOz при фотоинжекции электронов из полупроводниковой подло1ки в окисную пленку. Из экспериментальных данных следует, что при воздействии света на заряженную систему si-si0i происходит существенное ускорение процесса разрядки поверхности диэлектрика. При интерпретации полученных результатов учитывалось то обстоятэльство, что инхекция электронов в пленку SЮг, помимо эфйекта ускорения миграции протонов по поверхности окисла, сопровождается так1Р уменьшением поверхностного заряда из-за захвата части электронов на ловушки окисла. Поскольку вид кривых релаксации ВЧ-омкости НДП-структуры при освещении в вакууме слабо зависит от начального поверхностного заряда диэлектрика, можно считать, что процессы "стенания" поверхностного ааряда вследствие ионной миграции и из-за захвата части иыектированных электронов на ловушки окисла происходят независимо друг от друга. Это позволило предложить способ построения "миграционных" кривых релаксации ВЧ-емкости структуры, отражающих кинетику спада ьмкости то4ько за счет миграции заряда.

Эффект стимулирования ионной миграции исследован в ¡¡ироком диапазоне относительных влахностей P/P« = 0.2-0.5. Показано, что воздействие потока световых квантов с энергией ь^ = 5.6 эВ (Hhv = 2-i014KB-cif zc_1) приводит к, увеличение подви!Ности ионов

на поверхности диэлектрика нрииарно в дна раза. Эффект инхокцио"-но-стимулированного ионного дрейфа связывается с преобразованием Энергии, высвобождающейся в актах захвата электронов на поверхностные ловуяки, в колебательное возбуждение сетки водородно-связанных на поверхности диэлектрика молекул воды.

В разделе 4.3 экспериментально изучена возможность спектральной сенсибилизации поверхностной миграции ионов адсорбированными молекулами красителей. ■ В качестве сенсибилизаторов использовались молекулы эритрозина и родамина С, которые наносились на поверхность готовых МДП-структур из спиртовых растворов в количестве 1013см"2. Обнаружен и исследован новый эффект - спектральная сенсибилизация ионного дрейфа по поверхности БЮг адсорбированными молекулами красителей при облучении структуры квантами света с- энергией, соответствующей максимальному поглощению красителей. Наибольшее воздействие электронного возбуждения молекул красителей на темп

поверхностной ниграции ионор наблюдалось нри относительной влажности окружавшей среды Р/Рв = 0.5. В этом случае освещение в Полосе поглощения эритрозина (hw = 2.3 эВ) при потоке квантов hhy = 3-101skb-cm~2c_1 приводит к возрастанию поверхностной Подвижности ионного заряда примерно в 2.7 раза. В то зе время, воздействие квантов света с энергией, не попадающей в полосу Поглощения красителя, не сопровождается заметным возрастанием •темпа миграции ионного заряда по поверхности SiOz.

Полученные результаты объясняются дополнительным колебательным возбуждением OK-групп и молекул воды при релаксации электронного возбуждения молекул красителей, обуславливающим стимулирование ионных перескоков по поверхности диэлектрика. Перенос энергии между возбужденными молекулами красителей и адсорбированной водой возможен благодаря квазирезонансному характеру обмена колебательной энергией между модами 0-Н и С-Н. Последний вывод подтверждается сравнением результатов экспериментов, проведенных в парах обычной и тяжелой води.

Доказано, что спектральная сенсибилизация поверхностного ионного дрейфа, в отличие от инжекционного стимулирования миграции ионов, наблюдается на МДП-структурах с различными подложками (р- и n-типов) и окисными пленками разной толщины.

В пятой главе исследованы закономерности переноса ионного заряда по поверхности диэлектриков во влажных средах.

В разделе 5.1 изучгна взаимосвязь электронных и ионных процессов на поверхности БЮг, рассмотрен вопрос о природе центров локализации электронов, фотоннхектированных из полупроводника в диэмктр/к при различных состояниях гидратного покрова поверхности, на которой накоплен положительный ионный заряд. Измерения проводились на предварительно гидратированной в, парах воды, а также дегидратированной прогревами в вакууме поверхности бю2. Показано,что оптическая разрядка поверхности окисла после длитольного вакуумного прогрева происходит быстрее, чем после кратковременного, которая, в свои очередь, идет быстрее, чем на гидратированной поверхности. В процессе последующей регидратации выдерживанием структуры г^БЮг в парах воды кинетическая кривая разрядки поверхности окисла при освещении постепенно принимает исходный вид. Одновременно поверхностная подвижность протонов увеличивается на несколько порядков. Результаты проведенных экспериментов позволили сделать вывод, что основную роль в захвате электронов на положительно заряженной гидратированной поверхности БЮг играют наиболее гидратированные и деформированные структурные элементы гюл/гНп, расположенные в непосредственной близости от локализованных протонов, создающих притягивающее кулоновское поле, пркчем разрядка поверхности диэлектрика частично обусловлена электронно- стимулированной миграцией протонов. Часть энергии, выделившейся при локализации инхектиро-ванных электронов на тетраэдрах гю^/гЬ, затрачивается на возбуждение колебательных код гидроксильчых групп и адсорбированных молекул воды.

В разделе 5.2 исследована кинетика изменения ионного тока на позепхности диэлектрика при ступенчатых вариациях влажности окружающей среды. Показано, что процессы установления стационарной проводимости адсорбционного покрытия диэлектрика происходят при комнатной температуре в течение десятков минут иди часов. За это времп поверхностная ионная проводимость изменяется на 2-3 порядка. Сопоставляется данные по кинетике ионного тока на гидратированной поверхности структур зьБЮл к диэлектрика (А1г0з) без полупроводниковой подложки с одинаковыми металлическими электродами. Показано, что гидратации поверхности и установление

стационарного тока при адсорбции воды на поверхности структуры зьэюг л А1гОз качественно происходят одинаково.

В разделе 5.3 изучена корреляция между величиной ионного тока, протекающего по поверхности БЮг, и .заряжением поверхности диэлектрика при подаче напряжения на затвор МДП-структуры. Показано, что изменения ионного тока связаны, главным образом, с изменениями поверхностной подвижности ионоз, тогда как концентрация подвижных зарядов остается практически постоянной.

Предложен способ определения основных параметров ионного дрейфа - поверхностной подвижности и концентрации подвижных ионов, основанный на измерении зависимости поверхностного ионного тока от напряжения между металлическими электродами на поверхности диэлектрической пленки. Сравниваются зависимости ^(Р/Ра), полученные в одинаковых условиях на одних и тех же образцах двумя различными методами - из данных по проводимости и по кинетико роста ВЧ-емкости структуры. Отмечается, что характер этих зависимостей одинаков, однако обнаруживается существенная разница в абсолютных значениях подвижности - при любом давлении паров воды подвижность, вычисленная из данных по проводимости на три порядка еьшэ, чем полученная из кинетики распространения ионного фронта по поверхности диэлектрика.

В разделе 5.4 обсуждается влияние различных факторов на проводимость гидратированной поверхности диэлектрика. Выяснена роль состояния гидратного покрова в протекании поверхностного ионного тока. Долается вывод, что, как и в объемных фазах Н20, протекание тока по адсорбированной пленке воды обусловлено прототропним переносом протонов но цепочкам аодородно-свнзашшх молекул (нитям Бэрнала-Фаулера).

Исследования, проведенные на предварительно

дегидратированных МДП-структурах, показали, что в этом случае при адсорбции паров воды наблюдаются особенно сильные изменения поверхностных ионных токов (на несколько порядков). Причины столь замедленной кинетики объясняются процессом формирования на поверхности диэлектрика непрерывных нитей водородно-связанных молекул воды, которые были разрушены при дегидратации.

Исследовано влияние на поверхностную ионную проводимость диэлектрика адсорбированных на его поверхности молекул красителя (родамина С). Оказалось, что при средних влазностях (Р/Ра - 0.0)

наличие молекул красителя никак не сказывается на но аной проводимости, тогда как при больших влахкостях наблюдается некоторое es увеличение, а при меньших - наоборот, уменьшение. Зто различие связывается с изменением условий переноса протонов по цепям водо-родно-связанных молокул воды в присутствии органических молекул.

Изучена поверхностная проводимость sio2 в парах тяхелой воды. Показано, что качественно характер изменений поверхностной проводимости окисла при адсорбции НгО И ЪгО одинаков, однако, в идентичных условиях поверхностные токи в парах тяхелой воды всегда несколько меньше. При высоких влахностях отношение поверхностных проводимостей в парах НгО и DzO равно приблизительно двум, что неплохо коррелирует с отношением масс дейтронов и протонов; при низких влахностях различие значител'но больше. Это связывается с неоднородностью адсорбционного покрытия в парах тяхелой воды, которое содержит как молекулы D2O, так и прочносорбированные "биографические" молекулы Н20.

В раздело 5.5 рассмотрены механизмы протекания ионного тока и накоплений поверхностного заряда на поверхности диэлектрика. Обсуждаются два возкогных механизма поверхностного переноса протонов: классический, который состоит в "гидродинамической" миграции ьаряда под действием внешнего электрического поля, и более быстрый прототропный перенос протонов по квазиодномерным цепочкам водор'одно-связанных молекул воды.

На основании совокупности экспериментальных данных сделан вывод о том, что основную роль в протекании ионного тока- по гидратированной поверхности диэлектрика играет перенос протонов по нитян Бсрнала-Фаулера. Чьиду ограниченного количества таких нитей и "размазанного" пространственного распределения заряда такой перекос на сопровождается заряжением значительной части поверхности диэлектрика к поэтому не регистрируется емкостными методами, в хоторых определяется классическая "гидродинамическая" подвиность протонов.

На основе предложенной концепции объясняется отсутствие эффекта спектральной сенсибилизации при изучении поверхностной проводимости диэлектрика с адсорбированными молекулами красителя во влажной среде. Показано, что наличие возбужденных молекул красителя не влияет на перенос протонов по цепочке водородных связей, а ускоряет только классическую миграцию поверхностного заряда.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ.

1. Разработаны новые методы определения подеижности заряда, мигрирующего по поверхности диэлектрического слоя МДП-структур, основанные на изучении кинетики рзлаксации высокочастотной емкости МДП-структуры в режиме сальной инверсии.

2. Исследованы фотоннхенционные явления в краевой области КДП-структур, связанные с разрядкой поверхностного ионного заряда. Показано, что фотоннжекционными методами моют быть определена энергетическая диаграмма МДП-структуры с непрозрачными металлическими электродами.

3. Изучено влияние инжекции электронов из кремниевой подложки в окисную пленку на темп миграции заряда по гидратированной поверхности БЮг. Обнаружен эффект инжекционного стимулирования ионного дрейфа по поверхности диэлектрика.

4. Исследовано воздействие оптического возбуждения адсорбированных на гидратированной поверхности эюг молекул красителей на поверхностную миграцию заряда в МДП-структурах. Обнаружен новый эффект - спектральная сенсибилизация темпа миграции поверхностного заряда.

5. Изучено влияние различных факторов (относительная влажность окружающей среды, толщина окисла, знак поверхностного заряда) на эффект сенсибилизации поверхностной миграции ионов. Показано, что величина эффекта не зависит от толщины окисла и типа подложки: максимальное возрастание темпа миграции дестигавтся при средних влажностях (Р/Рв = 0.5).

6. Исследован изотопный эффект в спектральной сенсибилизации ионной миграции на гидратированной поверхности БЮг. Доказано, что эффект спектральной сенсибилизации связан с передачей энергии электронного возбуждения молекул красителей колебательным модам гидратного покрова окисла.

7. Изучены закономерности изменения проводимости гидратированной поверхности диэлектриков (зюг и диОз) при вариациях относительной влажности окружающей среды. Показано, -что длительность процесса установления стационарной проводимости обусловлена медленной перестройкой гидратного покрова окисла.

8. Исследована корреляция между кинетикой изменения поверхностной проводимости диэлектрика во влажной среде и кинетикой распространения ионного заряда по ого поверхности. Установке-

но, что характер кинетики изменения поверхностной подвижности протонов, определяемой методом проводимости, такой же, как кинетики подвижности ионного заряда, полученной емкостными методами.

9. На основании существенной разницы в абсолютных значениях поверхностной подвижности протонов, определяемой по проводимости и по кинетике распространения ионного фронта, сделан вывод о проявлении в этих измерениях разных механизмов переноса протонов по гидратированнын поверхностям диэлектриков - прототропного (по нитям Бернала-Фаулера) и "классического".

10. На основании анализа эффекта спектральной сенсибилизации поверхностной миграции варяда на гидратированной поверхности диэлектрика в разных условиях сделан вывод о том, что спектральная сенсибилизация в основном обусловлена ускорением "классической" миграции протонов, тогда как прототрошшй перенос по одномерным цепочкам Бернала-Фаулера адсорбированными молекулами красителя не ускоряется.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Демидович Г.Б., Козлов С.К., Родионова Е.Б. Влияние поверхностной миграции заряда на высокочастотную емкость МДП-структуры.//Поверхность. 1992. йЗ. С.62-08.

2. Козлов С.Н., Родионова Е.В. Кнаекционно-стимулированное ускорение миграции протонов по поверхности siOï.//Поверхность. 1992. J5G. С.78-83.

3. Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Родионова Е.В. Определение подвижности зарядов на поверхности диэлектирика емкостными методами.//Сб. трудов III Всесоюзной конференции "Физика окисных пленок". Петрозаводск. 1991. 4.1. С.81.

4. Козлов С.Н., Родионова Е.Б. Фотостимулированное ускорение миграции ионов по поверхности диэлектирика.//Сб. трудов ш Всесоюзной конференции "Физика окисных пленок". Петрозаводск. 1991. 4.2. С.11.

5. Demldovich G.B., Koslov S.N., Rodlonova E.V. Ionic and electronic charglnge cf the silicon'dioxide surface .//Hater .sol. 1990. V.16. Jil-3.P.611-614 .

Полигра^учзстск НПО "ВН..i.'ITPli".

0,8 уч.-лзд.л. Тирак I JO зкз. Заказ К. l£t