Петрозаводский государственный университет

На правах рукописи

УДК 538.971

Определение плотности поверхностных состояний в структурах

металл-диэлектрик-полупроводник при наличии гетерогенности

Специальность 01.04.04 – физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Петрозаводск

2007

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Петрозаводского государственного университета

Научный руководитель:

, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела

Официальные оппоненты:

, доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Петрозаводского государственного университета,

, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. .

Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный университет.

Защита диссертации состоится “__”_____” 2007г. в __ час. __ мин. на заседании специализированного совета К.212.190.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук при Петрозаводском государственном университете Петрозаводск, пр. Ленина,.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУ

Автореферат разослан “___”______” 2007 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время структуры диэлектрик-полупроводник (ДП) являются базовыми элементами при создании сложных микро - и оптоэлектронных устройств (СБИС и т. п.). Зависимость параметров отдельных приборов от электронных процессов на межфазовой границе раздела (МФГ) является основной причиной появления нестабильности в работе схем, и необратимых изменений их параметров. В связи с этим изучение влияния степени гетерогенности МФГ на характер электронных процессов протекающих в ДП структурах является актуальной научно-практической задачей.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В настоящее время отсутствуют исчерпывающие модели МФГ, учитывающие различные механизмы влияния неоднородностей на характеристики ДП-структур. Создание таких моделей в теоретическом плане даёт возможность дальнейшего развития представлений об электрофизических процессах, протекающих на границе, а в практическом плане позволяет существенным образом улучшить параметры приборов, созданных на базе таких структур.

Цель работы заключается в создании модели, наиболее полно отражающей влияние гетерогенности МФГ, созданной как вследствие различных технологических процессов, так и в результате внешних воздействий на электрофизические свойства ДП структур.

Основные задачи работы:

1.  Создать автоматизированную установку для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик.

2.  Разработать методику и создать программное обеспечение для расчёта кривых нормированной проводимости и определения параметров неоднородности границы раздела в МДП-структурах.

3.  Создать автоматизированную установку для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки МДП-транзисторов.

4.  Разработать методики для разделения влияния ПС и неоднородности границы раздела диэлектрик-полупроводник на характеристики МДП-транзисторов.

5.  Провести апробацию и верификацию моделей электронных процессов, учитывающих гетерогенность границы раздела полупроводник-диэлектрик.

6.  Провести исследование влияния различных электрофизических воздействий на формирование ПС и флуктуаций поверхностного потенциала на границе раздела диэлектрик-полупроводник.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Предложена методика корректного определения плотности поверхностных состояний при наличии пространственно неоднородного их распределения и дисперсии поверхностного потенциала на границе раздела полупроводник-диэлектрик с использованием метода нормированной проводимости.

2. Исследовано влияние различных режимов анодного окисления кремния на величину дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний на границе раздела в структурах металл-диэлектрик-полупроводник.

3. Предложена методика определения значения дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний в транзисторных структурах методами подпороговых вольтамперных характеристик и зарядовой накачки.

4. Предложена методика определения параметров крупномасштабного зарядового дефекта по виду кривой тока зарядовой накачки. Под таким дефектом понимается участок подзатворной области, в котором величина встроенного в окисел заряда значительно отличается от средней. Методика позволяет определить площадь деградированного участка и величину встроенного заряда.

5. Обнаружено, что лавинная инжекция горячих носителей заряда приводит к образованию крупномасштабного зарядового дефекта, причём изменение свойств границы раздела происходит не сразу, а спустя некоторое время после воздействия. Облучение рентгеновским и УФ-излучением приводит к практически мгновенному возникновению дефектов поверхности. Наличие внешнего электрического поля в процессе облучения приводит к тому, что дефекты оказываются метастабильными и наблюдается частичная релаксация структуры с течением времени к исходному состоянию.

Основные защищаемые положения:

1.  Для определения плотности поверхностных состояний и величины дисперсии поверхностного потенциала предлагается воспользоваться методом операторных изображений. Для проверки корректности разделения предложено использовать следующие параметры кривой нормированной проводимости: положение точек максимумом и перегиба и максимальное значение производной. Данная методика чувствительна к изменению условий приготовления МДП-структур и позволяет определить плотность ПС и величину дисперсии поверхностного потенциала с точностью ~ 5%.

2.  Предложена методика определения величины заряда и площади участка крупномасштабного зарядового дефекта, основанная на анализе кривой зарядовой накачки. Присутствие крупномасштабного зарядового дефекта, локализованного в окисле, проявляется на кривой зарядовой накачки как наличие двух четко различимых плато.

3.  В результате воздействия лавинной инжекцией на ДП структуры возникает крупномасштабная область зарядовой нестабильности с характерным временем релаксации ~ 105 c.

Научно-практическая ценность состоит в следующем:

1. Разработана и создана автоматизированная установка для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик структур металл-диэлектрик-полупроводник.

2. Разработано программное обеспечение для обработки кривых нормированной проводимости и определения глубины залегания электронных состояний в диэлектрике и величины дисперсии поверхностного потенциала на основе анализа характерных точек кривой и метода преобразования Фурье.

3. Разработана и создана автоматизированная установка для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки.

4. Разработано программное обеспечение для расчета параметров неоднородности границы раздела при помощи метода зарядовой накачки.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались на всероссийской конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», (г. Санкт-Петербург, 4-6 февраля 2002 г.), на V всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике, (г. СПб, 2-5 декабря 2003), на VII международной конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 14-18 октября 2003), на конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 29 мая – 3 июня 2005), на XI всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, (г. Екатеринбург, 24-31 марта 2005 г.), на конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Демидовские чтения), (г. Москва, 25-28 февраля 2006 г.).

Основные результаты опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций, перечень которых приведен в конце автореферата.

Вклад автора. Основные экспериментальные и теоретические результаты диссертационной работы получены автором.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 127 страниц, включая 75 рисунков, 8 таблиц и 112 наименований библиографических ссылок на 7 страницах.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определена цель работы и сформулированы основные защищаемые положения.

Первая глава посвящена анализу литературных данных о влиянии гетерогенности на электрофизические свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник. Показано, что проблема изучения гетерогенностей границы раздела становится всё актуальнее в связи с тенденцией к уменьшению геометрических размеров элементов интегральных схем, таких как площадь затвора транзисторов и толщина оксидных слоев. Наличие пространственного распределения ПС в диэлектрик приводит к тому, что с переходом на нанотехнологию и уменьшением толщины окисла до десятка атомных слоев, увеличивается вероятность протекания сквозных туннельных токов через диэлектрик.

Также в данной главе приведена информация об основных современных методах исследования полупроводниковых приборов, основанных на свойствах МДП-структур. Метод нормированной проводимости позволяет определить величину плотности ПС эффективное сечение захвата ПС, и характерные параметры степени неоднородности границы раздела: среднеквадратичную дисперсию потенциала и глубину залегания ПС в диэлектрик. С точки зрения простоты реализации и информативности при исследовании МДП-транзисторов оптимальным является совмещение методов подпороговых ВАХ и зарядовой накачки. В заключение раздела конкретизированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методические особенности настоящей работы. В работе исследовались структуры Si-SiО2, полученные анодным окислением кремния и транзисторы, как корпусные, так и реализованные на пластине. Описаны процедура анодного формирования структур Si-SiО2 и используемые методы исследования границы раздела диэлектрик-полупроводник (метод нормированной проводимости, подпороговых ВАХ, зарядовой накачки). В ходе работы разработаны и созданы экспериментальные установки для измерения кривых нормированной проводимости в МДП-структурах, подпороговых ВАХ и зарядовой накачки в МДП-транзисторах.

В качестве объектов исследования были выбраны выпускаемые отечественной промышленностью полевые транзисторы КП301Б. Выбор этот был обусловлен тем, что методом подпороговых характеристик можно исследовать транзисторы с индицируемым (а не встроенным) каналом, а для метода зарядовой накачки необходимо, чтобы электрод подложки не был совмещён со стоком или истоком, как это часто делается в корпусных транзисторах.

Методом нормированной проводимости исследовались образцы, полученные анодным окислением монокристаллического кремния. В качестве подложки использовались пластины кремния р-типа, с удельным сопротивлением 7,5 Ом*см, вырезанные в плоскости (100) и подвергнутые предварительно механи­ческой и химической полировкам. Ограничение рабочей площади образца заключалось в покрытии неокисляемых поверхностей химически - и термостойким лаком. Омический контакт к кремниевой подложке осуществлялся при помощи индий-галлиевой эвтектики, наносимой на боковую поверхность (скол) кремния. Анодное окисление кремния проводилось в 0,04М растворе КNО3 в этиленгликоле. Использовались различные режимы: предварительная гомогенизация поверхности, вольт-статическое и гальваностатическое окисление, а также смешанное окисление– переход на гальваностатический режим после вольт-статического. Для металлизации затвора на поверхность окисленной структуры в вакуумной камере напылялся алюминий.

В результате проделанной работы разработаны, созданы и апробированы автоматизированные установки для измерения кривых нормированной проводимости МДП-структур; подпороговых ВАХ и кривых зарядовой накачки полевых транзисторов. Разработана и создана многофункциональная интерфейсная плата, реализующая управление источниками напряжения и коммутационным блоком реле. Разработано программное обеспечение для проведения измерений и обработки экспериментальных результатов. Создана установка для анодного окисления кремния в различных режимах; также отработана методика предварительной подготовки кремниевых пластин.

В третьей главе содержится описание основных существующих в настоящее время моделей неоднородностей границы раздела полупроводник-диэлектрик и приводится их анализ. Проведены эксперименты по численному моделированию кривых нормированной проводимости при различных значениях дисперсии потенциала и величинах линейного размера области размытия границы раздела. Исследование модельных кривых позволило обнаружить дополнительные особенности поведения графиков. Положение точки перегиба ω2 на низкочастотной ветви кривой нормированной проводимости зависит от величины дисперсии потенциала и от линейного размера области размытия. Положение максимума кривой ω1 также зависит от этих факторов; в качестве характерного параметра используется разность (ω1- ω2). В модели заглублений ПС происходит сдвиг точки перегиба ω2 и более сильный сдвиг точки максимума ω1 кривой нормированной проводимости в сторону низких частот. Для модели флуктуаций поверхностного потенциала сдвиг точки максимума ω1 незначителен, а сдвиг точки перегиба ω2 более сильный. Расстояние (ω1–ω2) уменьшается с увеличением заглубления электронных состояний d и увеличивается с возрастанием флуктуаций потенциала σS. Значение производной в точке перегиба ΔMAX также принято в качестве характерного параметра. Это значение уменьшается как с увеличением глубины залегания состояний d, так и при увеличении среднеквадратичной флуктуации σS. Значения ΔMAX и ω1–ω2 можно использовать как параметры, с помощью которых можно определить величины флуктуаций потенциала и заглубления состояний при одновременном их присутствии в МДП-структуре. Показано, что в случае пространственно неоднородного распределения ПС и использования соответствующей модели необходимо рассчитать параметры: линейный размер области размытия d и постоянную времени перезарядки τ0. Для проверки правильности решения необходимо ввести дополнительное условие, которое определяет зависимость максимального значения функции производной от величины заглубления d. Графическая иллюстрация решения показана на рис. 1, где соответствующие графики сходятся в одну точку. Если после подстановки экспериментальных параметров общее решение данной системы отсутствует (рис. 2), можно говорить о заметном влиянии флуктуаций поверхностного потенциала на кривую нормированной проводимости данной МДП-структуры.

Для выделения вклада флуктуаций поверхностного потенциала выражение для нормированной проводимости записывается в виде свёртки функций:

f(ω)= y(ω)*k(ω–ω`)dω, (1)

где f(ω)– экспериментальная зависимость нормированной проводимости, обусловленная, в общем случае, вкладом флуктуаций и пространственного распределения ПС; y(ω)– нормированная проводимость, обусловленная только заглублениями и k(ω–ω`)– ядро уравнения, отвечающее за вклад флуктуаций потенциала.

Предложено воспользоваться при решении операционным методом, состоящем в получении алгебраических соотношений для операторных изображений, нахождении из них изображения искомой функции y^(z) и определения по нему оригинала:

f^(z)= y^(z)×k^(z) (2).

Рис 1. Графическое решение при нулевом значении среднеквадратичной флуктуации потенциала. Заданное значение d=5,7 А.

Рис 2. Графическое решение при σS=3,5. Заданное значение d=5,7 А.

Данная методика позволяет численно определить значение линейного размера области пространственного распределения ПС и флуктуаций поверхностного потенциала при условии одновременного их влияния на величину проводимости. При этом достаточно варьировать только один параметр σS, используя систему уравнений для d и τ в качестве критерия. Используя полученные значения можно определить значение реальной плотности ПС.

Предлагаемый метод может преимущественно использоваться для исследования структур, в которых присутствуют ловушки с большим сечением захвата, в результате чего постоянная времени их перезарядки τ оказывается мала, а частоты ω1 и 5ω1 очень велики, что может вызывать некоторые экспериментальные затруднения. При этом появляется возможность увеличения диапазона поверхностного потенциала ψS в область обогащения, для построения зависимости сечения захвата, величины заглубления и дисперсии потенциала по энергии в запрещённой зоне. Для разделения вклада флуктуаций и заглублений достаточно произвести измерения в области максимума и низкочастотной ветви зависимости. Соответственно уменьшается количество точек на экспериментальной кривой, т. е. сокращается время, необходимое для измерений, снижаются требования к экспериментальной установке по диапазону частот.

Так же в работе проведены численные эксперименты по изучению влияния флуктуаций поверхностного потенциала и наличие крупномасштабного зарядового дефекта в окисле на подпороговые ВАХ и кривые зарядовой накачки МДП-транзисторов. Показано, что флуктуации поверхностного потенциала влияют на наклон как подпороговой характеристики, так и боковых граней кривой зарядовой накачки (рис 3). Крупномасштабный зарядовый дефект проявляется на кривой зарядовой накачки как наличие двух четко различимых плато (рис. 4).

Рис. 3. Кривые зарядовой накачки при различных значениях дисперсии потенциала.

Рис. 4. Кривые зарядовой накачки для разных случаев. 1– основной участок с QOX=5*1010, 2– дефектный участок с QOX=1*1012, 3– итоговая СР-кривая, получаемая суммированием 1 и 2. NSS= 5*109

Предложена методика разделения влияния пространственно неоднородного распределения электрически активных состояний и флуктуаций поверхностного потенциала МДП-структур, основанная на анализе функциональных точек кривой нормированной проводимости. Показано, что флуктуации поверхностного потенциала влияют на размытие боковых граней кривой зарядовой накачки, а наличие крупномасштабного зарядового дефекта в окисле проявляется на СР-кривой в виде двух плато.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований МДП-структур методом нормированной проводимости и транзисторов при помощи методов подпороговых ВАХ и зарядовой накачки. В результате лавинной инжекции носителей (при VG=-4В, VD=10В) изменение характеристик МДП-транзисторов происходит не сразу, а со временем, при комнатной температуре. Видимо на этот процесс оказывают влияние внутренние поля, образовавшиеся в результате появления встроенного заряда. Кроме того, обнаружено, что возникший в результате воздействия заряд локализован в области истока (рис. 5, 6).

Рис. 5. Кривые зарядовой накачки транзистора до (1) и после (2) лавинной инжекции.

Рис. 6. Кривые зарядовой накачки после лавинной инжекции, стандартная методика (1), и с отключённым стоком (2).

Также при исследовании влияния ультрафиолетового излучения на характеристики транзисторов обнаружено, что при облучении с подачей напряжения на затвор, происходит более сильное изменение зарядового состояния транзистора, по сравнению с облучением без напряжения. Также нужно отметить, что при облучении с подачей напряжения после релаксации в течение суток заметно некоторое уменьшение величины захваченного заряда.

При исследовании структур, полученных анодным окислением кремния, обнаружено, что предварительная гомогенизация поверхности (выдержка образца перед началом окисления при малых токах) приводит к уменьшению величины дисперсии поверхностного потенциала. Также исследовано влияние низкотемпературного отжига на характеристики МФГ: величина плотности ПС уменьшается, значения же флуктуаций поверхностного потенциала и линейный размер области распределения ПС не изменяются.

В Заключении проведен анализ полученных результатов и сформулированы основные выводы по работе:

1.  Разработаны и созданы автоматизированные установки для измерения кривых нормированной проводимости МДП-структур, подпороговых ВАХ и кривых зарядовой накачки полевых транзисторов. Разработано программное обеспечение для проведения измерений и обработки экспериментальных результатов. Создана установка для анодного окисления кремния.

2.  Предложена методика разделения влияния заглубления электрически активных состояний и флуктуаций поверхностного потенциала МДП-структур, основанная на анализе функциональных точек кривой нормированной проводимости. Показано, что флуктуации ПП и наличие крупномасштабного зарядового дефекта в окисле влияют на форму кривой зарядовой накачки.

3.  Обнаружено, что предварительная гомогенизация поверхности приводит к уменьшению величины дисперсии поверхностного потенциала. Окисление образцов в комбинированном режиме приводит к уменьшению величины плотности ПС по сравнению с гальваностатическим режимом, при этом значение дисперсии поверхностного потенциала не меняется. Низкотемпературный отжиг уменьшает величину плотности ПС, но не меняет значение дисперсии поверхностного потенциала и размера области пространственного распределения ПС.

4.  Увеличение плотности тока окисления приводит к образованию структуры с меньшей плотностью ПС, и более высоким значением дисперсии потенциала за счёт неравномерного распределения ПС и заряда в окисле.

5.  Показано, что ток зарядовой накачки, измеренный сразу после воздействия лавинной инжекцией возрастает незначительно по сравнению с исходным (на 5-15%). Дальнейшая выдержка структуры при комнатной температуре в течение суток приводит к возрастанию тока по сравнению с исходным на 30-50%. Возможно, на этот процесс оказывают влияние внутренние поля, созданные в результате появления встроенного заряда, причём полевое воздействие локализуется в определенной области образца. Относительная площадь дефектного участка составляла ~30% площади всей исследуемой подзатворной области. Величина области локальной деградации при отключении стока увеличилась до 50% от всей площади подзатворной области.

6.  Величины плотности ПС и заряда в окисле возрастают сразу же после воздействия рентгеновским и ультрафиолетовым облучением и в дальнейшем не изменяются. При УФ облучении с подачей напряжения на затвор транзистора, происходит более сильное накопление заряда, по сравнению с облучением без напряжения, с последующим уменьшением величины захваченного заряда после релаксации образца в течение времени ~ 105с.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1.  Анализ частотных зависимостей проводимости МДП-структур с учетом флуктуационной и туннельной теоретических моделей. Авдеев Н. А., Гуртов В. А., Климов И. В., Яковлев  и техника полупроводников, 2006, том 40, выпуск 6, с. 711. – Analysis of frequency dependences of conductance of MIS structures with the fluctuation - and tunneling-based theoretical models taken into account. N. A. Avdeev, V. A. Gurtov, I. V. Klimov, R. A. Yakovlev. Semiconductors, Volume 40, Number 6 / June, 2006, p. 691.

2.  Автоматизированная установка для исследования характеристик МДП-транзисторов. , , Листопадов и техника эксперимента, М, «Наука», №2, 2004, с. 166.

3.  Автоматизация измерений проводимости и вольт-фарадных характеристик. , , Климов докладов всероссийской конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», СПб, 2002, с. 201.

4.  Определение спектра поверхностных состояний на границе раздела полупроводник диэлектрик с учётом влияния гетерогенности в структурах МДП. Яковлев работ по грантам VII Санкт-Петербургской ассамблеи молодых учёных и спец. СПб, 2002, с. 31.

5.  Выделение функции распределения поверхностного потенциала в модели флуктуаций. , , Климов докладов V всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике, СПб, 2003, с. 48.

6.  Использование метода аппроксимации цифрового сигнала в системе инженерного образования. , , Тулаев докладов международной конференции «Физика в системе современного образования», СПб, 2003, с 58.

7.  Определение спектра поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик с учётом влияния гетерогенности границы раздела диэлектрик-полупроводник. Яковлев работ по грантам VIII Санкт-Петербургской ассамблеи молодых учёных и специалистов СПб, 2003, с. 32.

8.  Применение метода регуляризации для расчета спектра поверхностных состояний границы раздела полупроводник-диэлектрик. , , Гуртов докладов конференции Физика в системе современного образования, СПб, 2005.

9.  Разделение влияния поверхностной неоднородности и заглубления электрически активных состояний на кривые нормированной проводимости в МДП-структурах. , , Климов докладов 11 всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2005, с. 137-138.

10.  Влияние неоднородностей границы раздела на характеристики МДП-транзисторов. Яковлев Р. А., Климов докладов конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Демидовские чтения), Москва, 2006, с. 124.