Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник
На правах рукописи
Богданов Сергей Александрович
Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник
Специальность 05.27.01 – «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог 2007
Работа выполнена на кафедре физики Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Захаров Анатолий Григорьевич
(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор
Лаврентьев Анатолий Александрович
(ДГТУ, г. Ростов-на-Дону)
кандидат технических наук, заведующий конструкторско-технологическим отделением ОАО «Научно-конструкторское бюро вычис-лительных систем»
Беспятов Василий Васильевич
(г. Таганрог)
Ведущая организация: Кабардино-Балкарский государственный
университет им. Х.М. Бербекова
Защита состоится « 30 » августа 2007 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу:
347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2 ауд. Е-306.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44
Автореферат разослан « 14 » июня 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 212.208.23 профессор,
доктор технических наук Н.Н. Чернов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Исследование влияния электрически активных примесей и их распределений на электрофизические свойства границ раздела диэлектрик-полупроводник МДП-структур и приповерхностных областей контактов металл-полупроводник имеет важную научную и практическую ценность. Это обусловлено следующими причинами.
При проектировании ИС и полупроводниковых приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник остро стоит проблема контроля и прогнозирования их параметров и характеристик, а также выбора оптимального технологического маршрута их изготовления.
Среда, с которой граничит полупроводник, оказывает влияние на электрофизические свойства полупроводниковых структур и приборов на их основе. Примером могут служить границы раздела сред полупроводник-диэлектрик и полупроводник-металл. Они являются источником зарядовых состояний, которые, в частности, оказывают влияние на распределения потенциалов в областях пространственных зарядов (ОПЗ) структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник. Это приводит к изменению электрофизических свойств и характеристик рассматриваемых полупроводниковых структур и приборов, а также влияет на их стабильность и воспроизводимость. Помимо этого, электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых структур во многом определяются наличием в полупроводнике дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, а также их пространственным распределением. Это затрудняет в некоторых случаях выявление и определение степени влияния фактора, обуславливающего изменения электрофизических свойств и характеристик.
Определение основных электрофизических свойств МДП-структур – величин максимальной Сmax и минимальной Cmin емкостей, плотности поверхностных состояний Nss и их распределения по энергии E, толщины диэлектрика d и его диэлектрической проницаемости , типа проводимости полупроводниковой подложки, концентрации примеси и закона ее распределения в приповерхностной области полупроводника
– наиболее часто осуществляют методом равновесных вольт-фарадных характеристик (ВФХ). Он заключается в сравнении расчетных (теоретических) ВФХ идеальных МДП-структур с соответствующими экспериментальными. Как правило, при расчете теоретических ВФХ не учитываются электрически активные дефекты, возникающие вследствие технологических операций (диффузии, высокотемпературного окисления, ионной имплантации и т.д.) и формирующие в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни (ГУ), их пространственное распределение, а также перераспределение атомов легирующих примесей в результате таких операций. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении электрофизических свойств МДП-структур.
Учет влияния электрически активных примесей и их пространственного распределения на форму потенциального барьера ОПЗ полупроводниковых структур позволит оценить корректность выбора теории переноса заряда при моделировании ВАХ структур металл-полупроводник, повысить достоверность определения свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах, а также прогнозировать электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых приборов, формируемых на основе этих структур.
Таким образом, разработка модели для исследования влияния глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства МДП-структур и контактов металл-полупроводник является актуальной задачей.
Целью работы является исследование влияния электрически активных примесей и их распределения на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- разработать математическую модель распределения потенциала, позволяющую учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник;
- выполнить модернизацию автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур и провести на ее основе экспериментальные исследования методами динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней (ДСГУ) и вольт-фарадных характеристик;
- показать возможности практического применения разработанных методик на примере прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
Объекты и методы исследования.
Объектами теоретических исследований являлись структуры металл-полупроводник, металл-диэлектрик-полупроводник, транзистор с металлической базой и поверхностный варикап.
Объектами экспериментального исследования являлись МДП-структуры, сформированные на пластинах кремния марки КЭФ-4,5, с толщиной термически выращенного окисла 230 нм. Пластины кремния для МДП-структур первой партии были обработаны с рабочей стороны электроискровым разрядом никелевым электродом. Для МДП-структур второй партии такая обработка не проводилась.
В качестве методов исследования были использованы: численные методы решения дифференциальных уравнений, метод динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней; метод равновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
2. Установлено, что электроискровая обработка кремния n-типа проводимости никелевым электродом приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации ,
,
,
.
3. Предложена методика прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, с улучшенными значениями отдельных параметров.
Практическая значимость.
В диссертационной работе решены важные задачи:
- разработаны алгоритмы и программы расчета распределения потенциала и вольт-фарадных характеристик, позволяющие на этапе проектирования элементов ИС исследовать влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник;
- показана целесообразность применения разработанной модели при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик активных и пассивных элементов ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, в частности транзистора с металлической базой, а также поверхностных варикапов с улучшенными значениями отдельных параметров;
- модернизирована автоматизированная система диагностики полупроводниковых структур (АСДПС), которая обеспечивает определение параметров ГУ (сечение захвата, концентрацию, энергию ионизации), профилей распределения глубокой и мелкой легирующей примесей, электрофизических свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах.
Таким образом, разработанная модель может применяться не только для контроля электрофизических параметров МДП-структур, но и для прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник: МДП-транзисторы; транзисторы с металлической базой; поверхностные и барьерные варикапы; фотовольтаические элементы; фотоприемники; сенсоры различных физических величин и др.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, непротиворечивостью математических выкладок, применением в экспериментах аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками, хорошим согласием результатов теоретического исследования с результатами экспериментального исследования, а также с известными из литературы экспериментальными данными, практическим использованием результатов работы, подтвержденным соответствующими актами о внедрении.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы при проведении ряда научно-иследовательских работ, проводимых в НИЛ «Мезоструктура», – «Разработка физических основ перспективных элементов твердотельной электроники на основе гетерогенных наноструктур» (№ гос. регистрации 01200203301, 2004 г.), «Исследование влияния электрически активных дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур» (№ гос. регистрации 01200505537, 2005 г.), «Разработка модели функционирования транзистора на основе наноразмерной структуры полупроводник-металл-полупроводник» (№ гос. регистрации 01200604342, 2006 г), а также при выполнении научно-исследовательской работы «Влияние электрически активных примесей и их распределения на свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник» ведомственной научной программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы» по разделу «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» (код проекта 15330).
Кроме того, результаты диссертационной работы используются при разработке сенсорных элементов на основе карбида кремния с неравномерным распределением легирующей примеси и целенаправленно сформированными глубокими энергетическими уровнями в НИИ МВС (г. Таганрог); при отработке технологических процессов изготовления фотоэлектронных устройств на основе пластин кремния с контролируемой плотностью поверхностных состояний в ООО «Завод Кристалл» (г. Таганрог), а также в учебном процессе кафедры физики ТТИ ЮФУ при проведении лабораторных работ по дисциплинам: «Физические основы микроэлектроники» и «Физические основы электроники», что подтверждено соответствующими актами.
Апробация диссертационной работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
- «Математические модели физических процессов» (X и XI Международные научные конференции, г. Таганрог, 2004 г. и 2005 г.);
- «Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (III и IV Международные научные конференции, г. Ульяновск, 2005 г. и 2006 г.);
- «Современный физический практикум» (IX Международная конференция, г. Волгоград, 2006 г.);
- «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (X Международная научная конференция, с. Дивноморское, 2006 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ (2005 – 2007 гг.)
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на форму потенциального барьера ОПЗ и ВФХ структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, основанная на численном решении уравнения Пуассона;
- акцепторные ГУ в кремнии n-типа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера
структуры металл-полупроводник на величину
мВ;
- существенное влияние в кремнии акцепторные ГУ с энергетическим положением
эВ могут оказывать при температурах
К, c
эВ при
К, с
эВ при
К;
- ВФХ МДП-структур на основе электронного кремния при наличии в полупроводнике акцепторных ГУ отличаются меньшими по абсолютной величине значениями напряжений инверсии, коэффициентов перекрытия, возможным появлением участков с отрицательной дифференциальной емкостью;
- разработанные в результате модернизации АСДПС блоки аппаратуры – устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры, блок сопряжения и контроля, блок напряжения смещения – позволяют расширить функциональные возможности АСДПС, а также повысить оперативность определения электрофизических свойств полупроводниковых структур и параметров ГУ;
- электроискровая обработка кремния n-типа никелевым электродом приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации
,
,
,
;
- разработанная модель позволяет прогнозировать электрофизические свойства и характеристики отдельных полупроводниковых приборов и ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из них 5 работ в журналах перечня ВАК. В ВНИИТЦ зарегистрировано четыре отчета по НИР.
Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследования выполнены д.т.н., профессором А.Г Захаровым. Разработка модели, позволяющей учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, разработка блоков измерительной аппаратуры, проведение экспериментальных и теоретических исследований осуществлены и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Содержание диссертации изложено на 186 страницах, включая 51 рисунок, 12 таблиц, список литературы из 93 наименований, приложения, размещенные на десяти страницах.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены объекты и методы исследования, приведены сведения о научной новизне, достоверности, обоснованности, практической значимости и внедрении результатов работы. Кроме того, во введении представлены сведения об апробации диссертационной работы, определены положения и результаты, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях и личном вкладе автора, а также дан краткий обзор содержания диссертации.
В первой главе сделан литературный обзор по теме диссертации. В ней рассмотрено влияние дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, на электрофизические свойства полупроводниковых структур. Приведены результаты исследований влияния глубоких энергетических уровней, обусловленных дефектами кристаллической решетки полупроводника, и особенностей распределений примесей на свойства полупроводниковых структур. Отмечено, что учет глубоких энергетических уровней (ГУ) и неравномерного распределения примесей при моделировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых структур позволит повысить достоверность их прогнозирования. Проведен анализ существующих моделей, учитывающих влияние электрически активных примесей и их распределений на свойства полупроводниковых структур. На основе проведенного анализа и обзора литературы выбрано направление и осуществлена постановка задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена моделированию распределений потенциалов в областях пространственных зарядов полупроводниковых структур. В ней приведены соотношения и разработана модель, позволяющая на основе численного решения уравнения Пуассона рассчитывать распределения потенциала и вольт-фарадные характеристики структур металл-полупроводник и металл-диэлектик-полупроводник при наличии в полупроводниковом материале глубоких энергетических уровней, а также неравномерном распределении примесей. Рассматривалось уравнение Пуассона
,