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

,