Введение к работе
Актуальность темы. Основными направлениями развития микроэлектроники являются расширение функциональных возможностей микросхем, повышение быстродействия и снижонио потребляемой мощности. Новое направление в создании сверхскоростных интегральных микросхем (ИМС) открывает использование новых полупроводниковых материалов, например, арсвнида галлия и фосфида индия. Приборы на этих полупроводниках по сравнению с кремнием при прочих равных условиях имеют большее быстродействие, более высокую рабочую температуру и лучшую радиационную стойкость .
Наиболее оптимальной элементной базой для ца*-овых и линейных ИС являются транзисторы со структурой металл- диэлектрик -полупроводник <МДП ПТ). Однако, реализация МДП ПТ на арсениде галлия и фосфиде индия имеет существенные трудности и, прежде всего, из-за неудовлетворительных параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник, связанных с нестабильностью и высокой плотностью поверхностных состояний. Отечественные и особенно зарубежные литературные данные по современному состоянию вопросов создания МДП ПТ на основе GaAa и InP свидетельствуют о возрастающей интенсификации работ, направленных на решение этой проблемы. До ..настоящего времени нельзя сказать, что имеется установившаяся и оптимизированная технология создания качественной И стабильной границы раздела диэлекгрик-полупроводниковое соединение. Одним из перспективных направлении формирования диэлектрических покрытий является плазмохимичоское осаждение. Однако существующее серийное оборудование и разработанные процоссы в технологии приборов на кремнии не позволяют получать удовлетворительных параметров границы раздела плазмохимичоский диэлектрик -полупроводниковое соединение. Кроме того, в случае полупроводниковых соединений в настоящее вромя еще . имеется некоторая неясность в понимании свойств границы раздела. Находятся в стадии развития методы исследования границы раздела, дающие обтйктивную оценку ее качества.
Ніалью работы являлось ':
разработка плазмохимического процесса формирования дизлектричосісих пленок на полупроводниковых соединениях А В с малой плотностью поверхностных состояний на границе раздела
диэлектрик - полупроводник и малым подвижным зарядом в диэлектрике;
разработка экспрессных методов измерения параметров МДП структур, в том числе методов, характеризующих зарядовую нестабильность.
Для достижения поставленной дали необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать возможности и ограничения методов исследования
электрофизических параметров границы раздела диэлектрик
полупроводник, особенности их применения к анализу МДП структур на
полупроводниковых соединениях.
2. Разрзботать экспрессные методы определения плотности
поверхностных состояния и подвижного заряда в диэлектрике МДП
структур.
3. Провести исследование энергетических параметров плазмы ВЧ
тлеющего разряда в зависимости от типа реактора, величины ВЧ
напряжения, давления и состава газов и установить взаимосвязь
между энергией ионов, бомбардирующих поверхность полупроводника в
процессе осаждения диэлектрика, и плотностью поверхностных
состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник.
4. Провести комплексное исследование электрофизических параметров
границы раздела плазмохимическиа диэлектрик- полупроводниковое
соединение, установить особенности перезаряда поверхностных
состояний и поведения подвижного заряда в диэлектриках.
5. Выявить условия осаждения плазмохимических диэлектриков в
различных плазмохимических реакторах на подложки GaAs и InP,
дающие параметры границы раздала, удовлетворительные дня создания
на их осново Щ] приборов.
В результате проведенных исследования на защиту выносятся следующие положения:
-
Экспресс-методы определения усредненной плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик --. полупроводник из князиравновосных ВЧ C-V характеристик, алгоритм для быстрого расчета спектра плотности поверхностных состояний методом Термапа, приближенные соотношения для расчета электрофизических параметров МЛП структур.
-
Метод вольт-секундных характеристик при разрядо МДП структуры постоянным током для экспрессного определения плотности подвижного
заряда в диэлектриках МД7І структур. теория вольт-секундных характеристик в условиях перетекания подвижного заряда по диэлектрику.
3. Влияние конструкции пленарного плазмохимического реактора на
энергию ионов плазмы ВЧ разряда, бомбардирующих подложки
полупроводника в процессе осаждения диэлектрика.
4. Результаты комплексного исследования электрофизических
параметров МДП структур па основе СэАз и InP с плазмохимическими
диэлектриками,- особенности перезаряда поверхностных состояний и
ловушек в этих сіруктурах, влияние энергии ионов, бомбардирующих
полупроводник в процессе осаждения диэлектрика, на плотность
поверхностных состоянии.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
1. На основе квазиравновесной ВЧ C-V характеристики разработан
экспрессный метод определения усредненной плотности поверхностных
состояний, включающий более широкий диапазоп запрещенной зоны
полупроводника и отличающийся меньшей погрешностью при опродолонии
низких плотностей поверхностных состояний, а также экспрессный
метод опрзделения плотности поверхностных состояний,
соответствующий уровню Ферми.
2. Предложен простой алгоритм для быстрого расчета спеотра
плотности поверхностных состоянии методом Термана. При наличии на
ВЧ C-V зависимости изломов расчеты по предложенному алгоритму
являются кроме того более точными.
3. По максимальному и минимальному значениям квазиравновосной ВЧ
емкости МДП структуры получены приближенные соотношения для
расчета концентрации основных носителей заряда в полугцюводнике,
потенциала Форми, потенциала Линднера, емкости плоских зон и
емкости МДП структуры, соответствующей поверхностному потенциалу
середины запрещенной зоны полупроводника, отличающиеся меньшими
погрешностями. ,
4. На основе вольтсекундных характеристик МДП структур,
разряжаемых постоянным током, разработан метод экспрессного
определения плотности подвижного заряда в дизлеістриках МДП
структур. Получены уравнения для описания V-t характеристик МДП
структур при условии перетекания подвижного заряда по диэлектрику.
5. Прямыми измерениями показано, что энергию ионов, бомбардирующих
заземленный элоетрод в плазме ВЧ диодного разряда, нельзя
уменьшить ниже 15 эВ за счет увеличения отношения площади заземленного электрода к площади ВЧ электрода вплоть до S3/SB„=13. Увеличение отношения S3/S >7 приводит к резкому уменьшению концентрации ионов в плазме ВЧ разряда.
3. Показано, что существенное влияние на величину плотности быстрых поверхностных состояния в НДП структурах на основе СаАз и InP с плазмохимическими диэлектриками оказывает бомбардировка подложек полупроводников высокоэнергетичными ионами. Снижение энергии ионов до уровня 15-20эВ приводит к резкому уменьшению плотности быстрых поверхностных состояний. Закрепление поверхностного потенциала в исследованных МДП структурах на основе СаАз обусловлено прежде всего высокой концентрацией медленных электронных ловушек, локализованных в диэлектрике в пределах пороходного слоя диэлектрик-полупроводник. Уровни дырочных ловушек в структуре плазмохимичоския диоксид кремния-ГпР энергетически залегают, в основном, ниже потолка валентноя зоны InP.
Практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны экспресс-методы определения электрофизических параметров МДП структур по квазиравновесным ВЧ характеристикам. Разработан автоматизированный измеритель плотности подвижного заряда в диэлектриках МДП структур на базе метода вольт-секундных характеристик. Даны рекомендации по конструированию плазмохимичэских реакторов с пониженным энергетическим воэдоаствием ионов на подложку полупроводника и высокой плотностью плазмы. Рекомендуется соотношение площадей электродов пленарного реактора 4
Апробация работы. Результаты докладывались на:
1. 2 Всесоюзной конференции "Активация и нетермическая
стимуляция технологических процессов микроэлектроники (г.Москва,
19R1)
2. Научно-технической конференции молодых ученых и
спо;шллистов МЮТ по проблемам микроэлектроники (г.Москва, 1982).
-
3 Всесоюзном семинаре "Пугт повышения стабильности и надежности"микроэлементов и микросхем" (г.Рязань, 1984).
-
4 Всесоюзном симпозиуме по плазмохимии (г.Днепропетровск, 1984).
5. Научно-технических семинарах кафедры "Специальные
материалы микроэлектроники" МГОТ (1982, 1983, 1984 г.г.).
-
2 всесоюзной научной конференции "Физика окисных пленок" (г.Петрозаводск, 1987).
-
Ежегодные Огаревские чтения Мордовского гос. университета им. Н.П.Огарева (1985 - 1993 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, получено авторское свидетельтво, результаты иссле. ваний вошли в отчеты го хоздоговорным НИР.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 215 страниц, в том числе 139 страниц машинописного текста, 39 страниц рисунков, 7 таблиц на 10 страницах, 148 наименований использованной литературы.
Результаты работы и проведенных исследования внедрены в НИИМЭ, НИИ "Оптика" (г.Москва), АО "Орбита" (г.Саранск).
