авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник

-- [ Страница 1 ] --

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

,



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.