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:     | 1 ||

Моделирование процессов диффузии в неоднородных структурах твердотельной электроники

-- [ Страница 2 ] --

результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными в пределах погрешности используемого численного метода. Таким образом, можно сделать вывод, что разработанная численная модель адекватно описывает распределение концентрации примеси в полупроводнике и, следовательно, может быть использована с целью исследования процессов диффузии в неоднородных структурах твердотельной электроники.

Для установления закономерностей протекания диффузионных процессов в неоднородных структурах твердотельной электроники проведено исследование зависимости специально введенного коэффициента k, характеризующего отношение глубин диффузии атомов примеси в областях с повышенным коэффициентом диффузии xmax и нормальным xmin, как показано на рис. 2, от ширины области ускоренной диффузии, отношения значений нормального и повышенного коэффициентов диффузии, температуры и времени диффузионного процесса. Установлено, что коэффициент k интенсивно растет, если значения 2 находятся в пределах от 10 нм до 50 нм. При больших значениях 2 отношение глубин залегания p-n–переходов в областях с повышенным и нормальным коэффициентами диффузий постоянно. С увеличением времени процесса диффузии увеличивается градиент концентрации примесей на границе областей с нормальным и повышенным коэффициентами диффузии, что стимулирует боковую диффузию и приводит к относительному замедлению роста глубины залегания p-n–перехода в области с повышенным коэффициентом диффузии, а также выравниванию скоростей изменения глубин залегания p-n–перехода в данных областях. Установленные закономерности могут быть использованы с целью оптимизации технологических режимов процессов диффузии в структурах твердотельной электроники, содержащих локальные неоднородные области.

Третья глава посвящена разработке численной модели распределения атомов в неоднородных структурах твердотельной электроники с учетом действия полей упругих напряжений, а также внешних электрических полей.

Исследования влияния полей упругих напряжений неоднородных областей было проведено путем введения в уравнение, описывающее диффузию в неоднородной области слагаемого, содержащего потенциал взаимодействия атомов примеси с полями напряжений U

, (3)

определяемый в соответствии с основными положениями теории упругости как , где ii – сумма главных компонент тензора упругих напряжений скопления дислокаций, а = 4ra3– активационный объем процесса взаимодействия, т. е изменение объема полупроводника при введении атома примеси; – относительная разность атомов полупроводниковой подложки и примеси; ra – радиус атома полупроводниковой подложки. Рассчитанные распределения, приведенные на рис. 3, атомов бора в кремниевой подложке с неоднородными областями, в виде дислокационных скоплений, в случае диффузии из постоянного источника показали, что для получения более точных распределений необходимо учитывать действие полей упругих напряжений на диффундирующие атомы. Причем, с увеличением плотности дислокаций в скоплении растет отношение глубин залегания p-nперехода в дефектной и бездефектной областях, что обуславливает зависимость коэффициента k, изображенную на рис. 4.

Кроме того, разработанная модель использована для расчета распределений атомов примеси из ограниченного источника. Результаты расчетов приведены на рис. 5.

Рис. 3

Исследования зависимости коэффициента k от времени позволили установить характерную величину длительности диффузионного процесса, при которой наблюдается наиболее существенное влияние полей упругих напряжений на распределения атомов примеси. Так для атомов бора при диффузии их из слоя 10 мкм в кремниевую подложку, содержащую локальную область скопления дислокаций шириной 2 = 100 нм, при температуре T = 1200 оС, это время составляет величину t = 200 с.

Исследования влияния внешних электрических полей на перераспределения материала в слоях металлов, т.е. так называемой электродиффузии, содержащих границы

Рис. 4 Рис. 5

зерен, проведены путем введения в систему уравнений Фика слагаемых, в которые входит скорость, приобретаемая ионами вещества в электрическом поле V и U:

в области U

; (4)

в области V

, (5)

где , , qэфV и qэфU эффективные заряды ионов металлов, j плотность электрического тока, удельное сопротивление материала проводника.

На рис. 6 показаны рассчитанные профили распределения ионов кобальта в результате самодиффузии с учетом электродиффузии, для продолжительности процесса диффузии t = 1 с при температуре T = 300 оC.

Распределения получены для фрагмента проводника с размерами 300 нм 400 нм по осям x и y соответственно с проницаемой границей, через которую возможна диффузия вещества в приграничный материал. Видно, что в данном случае в областях ускоренной диффузии наблюдается уход материала с одной границы фрагмента и формирование выступов (т.н. бугорков) материала на противоположной границе.

Изоконцентрационная линия, изображенная на рис. 7, соответствует случаю, когда в областях ускоренной диффузии наблюдается уход материала с границы x = 0.

Рис. 6 Рис. 7

При этом происходит перераспределение вещества, при котором возможно формирование пор (сквозных отверстий), характеризуемых диаметром dп и длиной Lп. На рис. 8, 9 представлены оцененные зависимости длины поры от величины плотности тока и температуры диффузии. Показано, что объем поры увеличивается с ростом величины ширины границы зерна в проводнике. Установленные особенности электродиффузии хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.

Рис. 8 Рис. 9

В четвертой главе рассматриваются возможности применения разработанных численных моделей на примере прогнозирования оптимальных технологических режимов процесса геттерирования, электрофизических свойств варикапов на основе p-n–переходов, сформированных в неоднородном полупроводнике, и деградации электрофизических свойств на примере транзистора с металлической базой. На основе разработанных моделей ускоренной диффузии атомов примеси с учетом полей напряжений неоднородных областей проведено моделирование планарного геттерирования атомов примесей в кремнии. Продемонстрированы геттерирующие

Рис. 10

свойства дислокационных областей. На рис. 10 изображены распределения атомов золота, геттерируемых полями напряжений скопления дислокаций для различных значений величины плотности, хаотически распределенных в слое дислокаций: Nd1=106 см-2 и Nd2=108 см-2. Таким образом, разработанная модель позволяет проводить исследования геттерирующих свойств различных протяженных дефектов кристаллической структуры кремниевых подложек и составлять рекомендации по выбору как вида геттера с необходимыми электрофизическими параметрами, так и оптимальных технологических режимов процесса геттерирования.

Теоретически исследованы емкостные свойства p-n–переходов, сформированных в кремниевых подложках с различной плотностью дислокаций. С использованием разработанной модели ускоренной диффузии в полупроводнике, содержащем неоднородные по величине коэффициента диффузии атомов примеси области, получены распределения, приведенные на рис. 11, атомов бора в кремнии марки КЭФ-2, имеющие сложный профиль. Для оценки величины барьерной емкости Сб профиль p-n–перехода, обусловленного диффузией вдоль единичной дислокации, аппроксимировался

Рис. 11

последовательной системой цилиндров, как изображено на рис. 11, характеризуемых высотами xi и радиусами y0i. В этом случае общую величину барьерной емкости Cб p-n–перехода, сформированного в дислокационной области и имеющего развитую поверхность, в первом приближении можно рассчитать как сумму емкостей планарного p-n–перехода Cпл и дислокационных p-n–переходов Сd:

. (6)

При этом (Sпл – площадь планарного p-n–перехода; – ширина области пространственного заряда планарного p-n–перехода; 0 – электрическая постоянная; – диэлектрическая проницаемость кремния); , где Nd – плотность дислокаций в кремниевой подложке; (Si – площадь боковой поверхности i-го цилиндра; – ширина области пространственного заряда i-го p-n–перехода с площадью Si; n – число цилиндров в области единичной дислокации).

Сравнение экспериментально определенных и рассчитанных значений барьерной емкости, как видно из рис. 12, показывает их хорошее согласие.

Рис. 12

Результаты исследований позволяют составлять рекомендации по выбору характеристических размеров и электрофизических свойств неоднородных областей и подложек, с целью формирования на их основе варикапов с заданными величинами коэффициентов перекрытия и барьерной емкости.

Применение численной модели диффузии по ускоренным путям к расчету распределений атомов металла в кремнии, содержащем локальные неоднородные области, позволило разработать модель постепенного отказа ТМБ. В первом приближении отказ квалифицировался как выход значения коэффициента передачи по току за пределы 10 % допуска вследствие увеличения толщины базы, обусловленного ускоренной диффузией материала базы ТМБ в полупроводник. С учетом предложенного критерия работоспособности ТМБ для температур 250 С и 500 С были получены зависимости времени выхода нормированного значения коэффициента передачи по току за пределы 10 % допуска, приведенные на рис. 13.

Рис. 13

Кроме того, показана возможность прогнозирования изменений величины контактной разности потенциалов UЭБ в ТМБ путем анализа рассчитанных перераспределений вещества материала базы, характеризующихся формированием в ней пор. В результате теоретических исследований по определению характерных значений времен формирования пор в базе ТМБ для различных материалов базы сформулированы рекомендации по использованию в качестве материла базы металлических пленок с относительно малыми значениями ширины границы зерен, таких как Co, W, Au, Pt.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы

  1. Исследовано влияние локальных неоднородных областей на диффузию атомов в структурах твердотельной электроники. Выполнен анализ существующих аналитических моделей ускоренной диффузии и диффузии в полях внутренних и внешних сил.
  2. Разработан алгоритм численного решения системы диффузионных уравнений, позволяющий рассчитывать распределения атомов примеси в структурах твердотельной электроники, содержащих локальные неоднородные области.
  3. Получены распределения атомов примесей в полупроводниках с локальными неоднородными областями, обусловленные влиянием полей упругих напряжений.
  4. Разработана численная модель электродиффузии, позволяющая исследовать перераспределение материала проводника в условиях протекания через него электрического тока большой плотности.
  5. Предложены методики расчета распределений атомов примесей при планарном геттерировании и величин барьерных емкостей p-n–переходов, сформированных в полупроводнике, содержащем локальные неоднородные области.
  6. Разработана модель постепенного отказа ТМБ, обусловленного диффузией атомов металла по ускоренным путям в кремнии. Получены временные зависимости выхода нормированного коэффициента передачи по току за пределы 10% допуска ТМБ, сформированного на основе структуры Si-Co-Si, для температур 250 °С и 500 °С. Проведен анализ, позволивший прогнозировать изменение условий переноса электронов через металлическую базу в ТМБ, вследствие перераспределения вещества материала базы и возможного образования в ней пор.

Публикации по теме диссертационной работы

Публикации в изданиях ВАК РФ

1. Какурин Ю.Б., Захаров А.Г., Котов В.Н. Моделирование массопереноса в неоднородных полупроводниковых структурах // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 6. – С. 22 – 25.

2. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Моделирование процессов массопереноса в неоднородных твердых телах с учетом электродиффузии // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. – 2009. – № 2. – С. 35 – 37.

Статьи и материалы конференций

3. Какурин Ю.Б. Моделирование процесса формирования примесной атмосферы вблизи краевой дислокации в кремнии // Математические модели физических процессов. Сб. научных трудов 11-й международной научно-технической конференции. – Таганрог: ТГПИ, 2005. – С. 127 – 130.

4. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Моделирование механизма отказа транзистора с металлической базой в результате массопереноса // Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов. Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрог: ТГПИ, 2006. – С. 256 – 259.

5. Захаров А.Г., Филипенко Н.А., Какурин Ю.Б. Геттерирование атомов металлов в гетероструктуре полупроводник–металл–полупроводник // Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов. Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрог, ТГПИ, 2006. – С. 260 – 263.

6. Какурин Ю.Б. Моделирование распределения атомов фоновой примеси вблизи краевой дислокации в кремнии // Известия ТРТУ. – 2006. – С. 62 – 63.

7. Какурин Ю.Б., Богданов С.А. Модель диффузии в тонких пленках металла и полупроводника, содержащих локальные неоднородные области // Сборник материалов Тринадцатой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону, Таганрог): Материалы конференции, тезисы докладов в 2 т.: Т.1. – Екатеринбург – Ростов-на-Дону – Таганрог: Изд-во АСФ России, 2007. – С. 192 – 194.

8. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б. Моделирование процесса массопереноса в полупроводниках с неоднородностями // Известия ЮФУ. Технические науки. Специальный выпуск. Материалы LIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – №1 (78). – С. 188.

9. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Моделирование процесса массопереноса в твердых телах, содержащих области с неоднородностями // Математические модели физических процессов: Материалы 12-й Международной конференции. Т.1. Физико-математические и физико-технические модели, проблемы технологии. – Таганрог: ТГПИ, 2007. – С. 126 – 130.

10. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Массоперенос в полупроводниковых гетероструктурах, содержащих области с различными коэффициентами диффузии, с учетом электромиграции // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. VII Международная научная конференция. –Кисловодск – Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. – С. 59 – 60.

11. Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Моделирование механизма постепенного отказа транзистора с металлической базой, обусловленного процессами массопереноса // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. VII Международная научная конференция. – Кисловодск – Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. – С. 48.

12. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Моделирование процесса ускоренной диффузии в полупроводниках // Микроэлектроника и информатика – 2008. 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2008. – С. 96.

13. Захаров А.Г., Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А. Математическое моделирование процесса планарного геттерирования // Модели и алгоритмы для имитации физико-химических процессов. Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрогский государственный педагогический институт. – Таганрог: Изд-во НП «ЦРЛ», 2008. – С. 165 – 168.

14. Какурин Ю.Б., Филипенко Н.А., Лытюк А.А. Моделирование процесса электродиффузии в тонких пленках металлов // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. VIII Международная научная конференция. – Кисловодск – Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. – С. 252 – 254.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: [1, 12] рассмотрены особенности распределений атомов примеси в структурах твердотельной электроники, содержащих локальные неоднородные области; [7 – 9] разработан алгоритм численного решения задачи диффузии в неоднородных структурах твердотельной электроники с учетом процессов ускоренной диффузии; [2, 9, 10, 14] предложен алгоритм численного решения задачи диффузии в структурах твердотельной электроники, содержащих локальные неоднородные области, с учетом процессов ускоренной диффузии при наличии внешних электрических полей; [2, 14] рассмотрены особенности диффузии в тонких металлических слоях, обусловленные протеканием электрического тока высокой плотности; [4] разработана модель прогнозирования постепенных отказов транзистора с металлической базой, обусловленных процессами диффузии; [11] проведено моделирование постепенного отказа транзистора с металлической базой, обусловленного процессами диффузии атомов металла по ускоренным путям в полупроводнике; [5, 13] предложена методика расчета распределений атомов примесей при планарном геттерировании в полупроводнике, содержащем ряд локальных неоднородных областей.

Тип. ТТИ ЮФУ. Заказ № Тир. 100 экз.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.