Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрофизические свойства кремниевых структур с нетрадиционнами диэлектрическими слоями . 13
1 1. Структуры Si-Hkl. получение и электрофизические свойства. 15
1 1. 1. Введение. 15
1.1 .2. Способы получения структур Si-HkI-затвор . 17
1.1.3. Энергетическая диаграмма структур Si-Hkl. 19
1.1 .4. Строение и электрофизические свойства межфазовой границы кремний-НкІ. 23
1.1.5. Электрофизические объемные свойства пленок НЫ на кремнии. 26
1.2. Структуры SIMOX, Получение и электрофизические свойства. 28
1.3. Выводы к Главе 1. 32
Глава 2. Методика эксперимента. 33
2.1. Система электролит-диэлектрик-полупроводник и ее возможности для изучения процессов в структурах кремний-диэлектрик. 33
2.2. Методы исследования структур кремний-диэлектрик в системе электролит-диэлектрик-полупроводник . 39
2.2.1. Электрофизические методы исследования. 39
2.2.2. Статическая и динамическая деградация структур кремний-диэлектрик. 48
2.3. Определение энергетической диаграммы структур кремний-диэлектрик на основе метода полевых циклов в электролите. 50
2.4. Исследуемые образцы. 56
2.5. Выводы к Главе 2. 58
Глава 3. Электрофизические свойства структур Si- Si02) полученных по SIMOX-технологии . 59
3.1. Исходное зарядовое состояние SIMOX-структур. 59
3.2. Влияние БУФ-облучения на зарядовое состояние структур Si-Si02 66
3.3. Полевая стабильность структур Si-Si02, полученных по SIMOX технологии. 68
3.4. Роль маскирующего окисла в формировании зарядовых свойств SIMOX структур Si-Si02. 73
3.5. Энергетическое положение ЭАЦ, ответственных за положительный заряд в SIMOX структур Si-Si02. 74
3.6. Модель образования и природа ЭАЦ, ответственных за зарядовое состояния SIMOX-структур. 80
3.7. Выводы к Главе 3. 91
Глава 4. Электрофизические свойства структур кремний-диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (Zr02j НГО2, А1203). 94
4.1. Использование системы ЭДП для исследования структур Si-Hkl. 94
4.2. Исходные зарядовые характеристики структур Si-Hkl . 96
4.3. Влияние электрических полей на зарядовую стабильность структур Si-Hkl. 101
4.4. Влияние БУФ-облучения на зарядовую стабильность структур Si-Hkl. 106
4.5. Энергетические диаграммы структур Si-Hkl. 114
4.6. Электрически активные центры в структурах Si-Hkl. 116
4.7. Выводы к главе 4. 128
Глава 5. Динамические полевые воздействия на структуры кремний-диэлектрик . 132
5.1. Влияние динамического полевого воздействия на зарядовые свойства структур Si-Si02. 132
5.2. Влияние динамического полевого воздействия на зарядовые свойства структур Si-Hkl. 136
Выводы к главе 5. 139
Основные выводы 140
Цитируемая литература. 147
- Способы получения структур Si-HkI-затвор
- Методы исследования структур кремний-диэлектрик в системе электролит-диэлектрик-полупроводник
- Влияние БУФ-облучения на зарядовое состояние структур Si-Si02
- Исходные зарядовые характеристики структур Si-Hkl
Введение к работе
Одним из факторов, определяющих темпы научного и технического прогресса в твердотельной электронике, является успешное проведение фундаментальных исследований физико-химических процессов, протекающих в структурах диэлектрик-полупроводник (ДП), Начиная с 1960 года, доминирующим материалом в микроэлектронике являлся кремний благодаря его исключительным механическим, химическим и электрическим свойствам, позволившим сформировать практически идеальную структуру диэлектрик-полупроводник путем его термического окисления. В настоящее время структуры Si-Si02 являются базовыми в микроэлектронике. Однако развитие коммуникационных технологий и увеличивающаяся миниатюризация предъявляет к устройствам микроэлектроники все больше и больше требований, выполнение которых зачастую невозможно или находится на грани возможностей кремниевой технологии по чисто физическим причинам. Одним из таких требований является переход от электрической передачи данных к оптической, что равносильно требованию производства оптоэлектронных устройств, способных генерировать, модулировать и обрабатывать оптические сигналы на базе существующей кремниевой технологии. В этой связи в современной твердотельной электронике можно выделить две наиболее актуальные проблемы, которые требуют решения в ближайшие время.
В микроэлектронике просматриваются два основных направления, основывающихся на кремневой технологии. Первое направление связано с развитием технологий КНД (кремний на диэлектрике), к который относится ионный синтез скрытых диэлектрических слоев. Второе направление заключается в создании высококачественных структур кремний — диэлектрик, в которых доминирующий в настоящее время слой Si02 был бы заменен диэлектриком с большей относительной диэлектрической проницаемостью (high к — технология).
В оптоэлектронике — разработка физических основ и создание твердотельных экранов с использованием планарной кремниевой технологии и содержащих в качестве основных элементов структуры кремний — диэлектрик.
У этих задач имеется одна общая особенность, а именно, и в том и в другом случае предполагается использование одних и тех же диэлектрических слоев и/или многослойных диэлектриков. К числу таких слоев относятся НГОг, Zr02, А1203, а также их комбинации с полученным различными способами на поверхности кремния слоем SiO^. Кроме того, решение обеих проблем предполагает проведение в первую очередь исследования электрофизических свойств и их изменений под действием внешних воздействий новых диэлектрических слоев и их содержащих структур кремний — диэлектрик.
7 К числу таких воздействий следует в первую очередь отнести
воздействия, характерные для процессов формирования таких структур и их
рабочего режима. К таким воздействиям относятся облучение светом из
области ближнего ультрафиолета (БУФ) и влияние на структуры сильного
электрического поля, наличие которого в диэлектрическом слое характерно
для рабочего режима, как изделий микроэлектроники, так и плоских экранов.
Необходимо отметить, что в последнем случае используются периодические
во времени электрические поля. Это обстоятельство выдвигает еще одну
актуальную задачу — изучение процессов деградации структур кремний —
диэлектрик под влиянием периодического электрического поля, т.е. при
динамическом полевом воздействии.
Цель работы заключалась в изучении основных электрофизических
свойств структур кремний - слои диэлектриков, включающих окислы
кремния, полученные ионным синтезом по SIMOX - технологии, окислы
гафния, циркония и алюминия и установлении закономерностей их
изменений под влиянием внешних воздействий (электрические поля,
облучение).
Реализации данной цели предполагала решение следующих задач:
1. Изучение возможности использования системы электролит-диэлектрик-полупроводник для исследования рассматриваемых структур кремний-диэлектрик. Расширение методических возможностей системы ЭДП для определения параметров рассматриваемых ДП структур.
2. Установление электрофизических свойств и исследование характера
электронных процессов в структурах Si-Si02 , полученных ионным синтезом (SIMOX - технология).
3. Изучение электрофизических свойств и характера электронных процессов
в окислах гафния, циркония и алюминия на поверхности кремния.
Экспериментальные исследования проводились в системе электролит — диэлектрик — полупроводник (ЭДП), обладающей рядом преимуществ перед системой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП), и с успехом используемую для подобных исследований, С точки зрения задач настоящей работы, преимущества ЭДП системы заключается:
a) в возможности создания управляемой инжекции электронов в
диэлектрические слои с их последующем разогревом в широкой области
электрических полей (вплоть до 20 МВ/см), что является необходимым
условием для изучения процессов полевой деградации;
b) в спектральной прозрачности полевого электрода вплоть до hv ~ 6
эВ, что позволяет не только исследовать влияние БУФ — облучения на
электрофизические свойства структур кремний — диэлектрик, но и
эффективно использовать метод электролюминесценции для изучения
электронных процессов, протекающих в диэлектрических слоях в сильных
электрических полях.
9 с) возможности контролируемого стравливания диэлектрического слоя
в сочетании с измерением высокочастотных вольт — фарадных
характеристик (ВФХ), что позволяет получать пространственное
распределение зарядов в диэлектрическом слое и отслеживать их изменения
в процессе деградации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Детально изучены зарядовые свойства SIMOX структур, впервые
определены пространственная и энергетическая локализации электрически
активных центров (ЭАЦ), ответственных за положительный заряд в окисном
слое и перезаряжающихся под воздействием электрического поля и
облучения ультрафиолетовым излучением.
2. Предложена модель образования ЭАЦ в объеме окисного слоя в процессе
создания SIMOX структур SI-S1O2
3. Изучены электрофизические свойства структур кремний-диэлектрик,
полученных путем низкотемпературного нанесения окисных слоев с высокой
диэлектрической проницаемостью (—10-20) на монокристаллическую
поверхность кремния. Исследовано изменение зарядового состояния
структур кремний-диэлектрик в процессе полевого воздействия и облучения
ближним ультрафиолетом.
10 Практическая значимость работы заключается в следующем:
Предложен способ оценки энергетической диаграммы ДП структуры на основе электрофизических измерений в ЭДП - системе.
Предложен способ стабилизации зарядового состояния SIMOX структур и структур Si-НГОг путем облучения светом из области ближнего ультрафиолета.
Предложен способ повышения полевой стабильности структур Зі-НГОг путем предварительного их облучения светом из области ближнего ультрафиолета.
Показана возможность существенного уменьшения концентрации ЭАЦ в окисном слое SIMOX структур при их формировании с использованием экранирующего оксида.
5. Показаны существенные различия деградационных процессов,
протекающих при динамических и статических полевых воздействиях,
создающих одинаковые средние напряженности электрического поля в
диэлектрике, на структуры кремний-окисный слой.
На защиту выносятся:
Метод построения энергетических диаграмм структур кремний -диэлектрик, основанный на определении методом полевых циклов в системе электролит - диэлектрик - полупроводник величин напряженности электрического поля в диэлектрическом слое, соответствующих началам процессов электронной инжекции в диэлектрик и развитию в нем процессов ударной ионизации.
Характеристики электрически активных центров (ЭАЦ) (плотность заряженных и перезаряжающихся центров, их энергетическое и пространственное положение), образующихся в окисных слоях на кремнии, полученных ионным синтезом по SIMOX - технологии,
3. Модель образования и механизмы перезарядки ЭАЦ в структурах Si-SiCb,
полученных по SIMOX - технологии.
4. Основные закономерности изменения зарядового состояния структур
кремний-диэлектрик (НГОг, Zr02, AI2O3) в результате полевых воздействий и
облучения светом из области ближнего ультрафиолета.
Основные результаты работы докладывались на Итоговом семинаре по физике и астрономии для молодых ученых (Санкт-Петербург, 2002 г.), на IX Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2000 г.), на X Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2004 г.).
12 Основные результаты работы опубликованы в виде статей и тезисов
докладов на конференциях в восьми печатных работах.
Основные экспериментальные и теоретические результаты диссертационной работы получены автором. В ряде коллективных работ автору принадлежат изложенные в диссертации защищаемые положения и основные выводы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 164 стр., включая 70 рисунков и 132 наименований библиографических ссылок.
Способы получения структур Si-HkI-затвор
Нанесение Hkl на поверхность кремния может быть осуществлено различными способами [12,13,24-27]. Ниже мы кратко рассмотрим наиболее отработанные и распространенные технологии формирования Hkl.
Одним из наиболее перспективным способом формирования Hkl на поверхности полупроводников и/или металлов является метод ALD (atomic layer deposition), физико - химические основы которого были заложены в конце 60-ых годов прошлого века в ленинградской научной школе под руководством В.Б. Алесковского [27,28] и развиты его учениками [29,30]. В основе метода лежит принцип самоограничения процесса роста [31]. В результате был разработан и теоретически обоснован прецизионный метод синтеза тонких покрытий на поверхности твердых тел, основные положения которого были сформулированы следующим образом [95]. Воспроизводимый синтез это химическая сборка твердых веществ заданного сложного состава и регулярного химического строения, основанная на использовании необратимых в условиях синтеза реакций. Химическая сборка осуществляется путем многократного чередования реакций, которые в заданной последовательности проводятся на поверхности твердого тела. В результате каждой из этих реакций к поверхности присоединялся один монослой новых функциональных групп, которые реагируя с функциональными группами твердого тела образуют химические связи и тем самым входят в состав твердого тела в виде одного монослоя новой структурной единицы. В результате, осуществляя необходимое число реакций, можно синтезировать слой вещества заданной толщины с точностью до одного монослоя. К настоящему времени наиболее удачными следует считать результаты по синтезу слоев А1203 на поверхности кремния и исследованию их электрофизических свойств [96].
Другим способом формирования структур является CVD (chemical vapor deposition) метод и его разновидность MOCVD (metal organic CVD) [32,33]. В последнем случае возможно формирование не только окислов металлов, но и металл силикатов. Температурный диапазон осаждения составляет 300 - 600 С. Этот метод характеризуется высоким уровнем загрязнения получаемой пленки углеродом, концентрация которого может быть снижена путем повышения температуры процесса. PVD (physical vapor deposition) метод также используется для формирования Hkl [25]. В этом методе на поверхность подложки осаждается либо металлическая пленка с последующим термическим или плазменным окислением, либо формирование окисного слоя идет непосредственно в процессе распыления металла в кислородной плазме. К недостаткам метода относятся сложности контроля толщины формируемого слоя и его неоднородность.
Для создания окислов редких земель с успехом использовался метод МВЕ (Molecular Beam Epitaxy) [13,26], который превосходит по качеству формируемых слоев методы CVD и PVD. Однако, этот метод требует сверх высокого вакуума и дорогостоящего оборудования, поэтому его нельзя рассматривать в качестве перспективного метода формирования Hkl. В качестве материала затвора обычно используется поликремний или нитрид титана (TiN) [13,34-39]. . Особый интерес для нас представляет использование в качестве затвора такого металла, как TiN, который характеризуется минимальной плотностью занятых электронных состояний вблизи уровня Ферми [41], и может быть рассмотрен как переходный вариант при проведении электрофизических исследований от традиционной системы МДП к используемой нами системы ЭДП.
Так основными факторами, которые определяют такую важную для современной микроэлектроники характеристику ДП структур, как токи утечки, являются значения потенциальных барьеров для подвижных носителей зарядов на межфазовых границах полупроводник — диэлектрик и диэлектрик затвор. Для получения приемлемых значений токов утечки через Hkl значения потенциальных барьеров для электронов (фс и фс ) должны быть не менее 1.5 эВ [7,42]. Исходя из этого, три типа окислов являются наиболее перспективными: А120з, ZrC 2, НГО2. Экспериментально определение значений потенциальных барьеров с последующим восстановлением полной энергетической диаграммы осуществлялось двумя путями: на основе анализа вольт — амперных характеристик [43-45] и путем прямого измерения высот барьеров методов фотоинжекции [46-48].
В работах В.В.Афанасьева исследовались структуры Si - Hki, полученные методом ALCVD на подложках (100) п- и р-типов (уровень легирования — 1015 см") при температуре 300С. Толщины окисных слоев составляли 5—20 нм. В качестве полевого электрода использовался полупрозрачный (15 нм) золотой электрод.
В результате методом фотоижекции были определены спектральные пороги фотоинжекции при различных значениях напряженности поля в окисных слоях. Экстраполяция этих порогов к нулевому полю в координатах Шоттки позволило определить барьеры между потолком валентной зоны кремния и дном зоны проводимости окисного слоя (Ч ). Полученные результаты приведены в таблице 1. В этой же таблице приведены значения высокочастотной относительной проницаемости окисных слоев (сж), значения показателя преломления слоев ( п2 ), а также значения запрещенных зон окисных слоев, также полученных в работах В.В. Афанасьева [46-48].
Методы исследования структур кремний-диэлектрик в системе электролит-диэлектрик-полупроводник
Для изучения характера и пространственного распределения электрически активных дефектов, возникающих в исследуемых структурах Si-диэлектрик, в настоящей работе использовались электрофизические методы диагностики, основанные на измерении высокочастотных вольт -фарадных характеристик (ВЧ ВФХ). Блок-схема установки, позволяющей проводить измерения ВЧ ВФХ структур Si-диэлектрик в ЭДП - системе и осуществлять на них полевые воздействия с заданной напряженностью электрического поля в диэлектрике (Еох) представлена на рис. 2.2.
На исследуемый образец, помещенный в ячейку (б), одновременно подавались сигнал Vg с генератора линейно меняющегося напряжения (1), которое могло варьироваться в диапазоне от -150 до 150 В, и синусоидальное напряжение с частотой 1 МГц и амплитудой 0.01 В с генератора высокочастотных колебаний (5). Линейно меняющееся напряжение служило для изменения емкостей ЭДП-системы за счет вариаций емкости области пространственного заряда полупроводника, а синусоидальное напряжение для измерения общей емкости этих структур. Первое измерялось с помощью высокоомного вольтметра (8) и подавалось на вход "Xй двухкоординатного самописца (9).
Синусоидальный сигнал измерялся на емкостном делителе Сх:Сн с помощью селективного микровольтметра (11), детектировался и подавался на вход "Y" того же самописца, В результате на самописце в автоматическом режиме регистрировалась зависимость емкости структуры от напряжения, то есть ВФХ. Для калибровки установки по емкости использовался магазин емкостей (7). Для осуществления полевых воздействий на структуры к образцу прикладывалось постоянное смещение V;nf при помощи источника постоянного напряжения (3). Величина приложенного напряжения контролировалась цифровым вольтметром (4)
Специфика применения электролитического контакта для измерения ВФХ состоит в том, что последовательно с емкостью образца включается емкость двойного электрического слоя на границе диэлектрик- электролит.
Изменение формы ВФХ и расположения ее по оси напряжений отражало изменение как плотности поверхностных состояний (ПС) на границе диэлектрик- полупроводник (ДП) (дисторсия ВФХ), так и величины заряда в окисле (сдвиг ВФХ).С помощью дифференциального метода Термана [80] определялся вид энергетического распределения ПС в запрещенной зоне кремния.
Для разделения области исследуемых полей по характеру протекающих в них электронных процессов и для оценки в едином цикле концентрации в диэлектрике электрически активных дефектов различных типов использовали метод полевых циклов [81]. Он заключался в измерениях полевых зависимостей потенциала плоских зон УЛ(Е,Ат.), проводимых в широком диапазоне полей. Временные интервалы анодной поляризации At выбирались таким образом, чтобы достичь заполнения ловушек носителями зарядов при данном значении поля (эти At определяли из кинетик AVfo(t) при заряжении структуры постоянным электрическим полем Еох ). Как показали проведенные исследования на кривых зависимостей AVft(E) можно выделить четыре участка, соответствующих областям полей, обозначенным как Е1-Е4 (рис.2.3).
Сопоставление приведенных данных с результатами исследований проводимости системы Si-SiC - электролит [76,81] позволяет утверждать следующее. В случае исходных структур Si-Si02 в области полей Е1, где инжекция электронов из электролита в Si02 заблокирована вследствие больших значений высоты потенциального барьера ((4.2+0,2) эВ [76]), зависимость Vft(E,At) отражает процессы инжекции дырок из кремния и захвата их на ловушки в SiC 2. Это позволяет по сдвигу Vn, оценить эффективную (без учета центроида) концентрацию дырочных ловушек. В области полей Е2 в переносе заряда доминирует электронная компонента тока, по сдвигу Vfo в этой области полей можно оценить эффективную концентрацию биографических ловушек, захвативших инжектированные из электролита электроны. При дальнейшем увеличении поля в S1O2 все более заметным становится процесс разогрева электронов в зоне проводимости диэлектрика. Зависимость -Vfu(E,At) в области полей ЕЗ (первая стадия разогрева электронов), как предлагали в работе [81], отражает процесс трансформации преддефектов в электрически активные центры (ЭАЦ). В качестве преддефектов могут выступать ослабленные (напряженные) связи Si-O, для разрыва которых достаточно энергии, набираемой электронами в данной области полей.
Влияние БУФ-облучения на зарядовое состояние структур Si-Si02
Для получения дополнительной информации о природе ЭАЦ, ответственных за образование встроенного положительного заряда, нами осуществлялось облучение исходных структур Si-Sid светом из области ближнего ультрафиолета (1ТУ 6ЭВ) без приложенного поля и при анодной поляризации структур ("+" на кремнии). Облучение БУФ без приложенного поля приводило к существенному уменьшению величины положительного заряда. При этом увеличение продолжительности БУФ-облучения не приво дило к его полному исчезновению. Оставшийся положительный заряд составлял величину примерно 5 10!0 см"2. БУФ - облучение при анодной поляризации, создающей в окисном слое напряженность электрического поля -0,2 МВ/см, не приводило к заметному изменению величины положительного заряда. Данное обстоятельство указывало на то, что БУФ облучение без поля приводило к фотоинжекции электронов из кремния в слой S1O2 и их последующему захвату на положительно заряженные центры. Анодная поляризация структур Si-Si02 в этой области полей в сочетании с БУФ-облучением блокировала протекание фотоинжекционного тока и, следовательно, препятствовала процессу перезарядки ЭАЦ, что находило свое отражение в неизменности величины встроенного положительного заряда в этом случае. Описанное выше влияние БУФ-облучения не зависело от способа формирования SIMOX структур, т.е. от наличия экранирующего оксида на поверхности кремния в процессе создания структур. Совершенно иная картина наблюдается при НУФ-облучении и полевом воздействии с напряженностью Еох 1 МВ/см. В этом случае одновременное воздействие БУФ-облучением и электрическим полем с напряженностью 1 МВ/см приводило к образованию значительного положительного заряда в объеме окисного слоя. При этом процесс образования положительного заряда не является завершенным во времени. Величина образуемого положительного заряда определялась временем БУФ воздействия. Как показали результаты измерения зависимости потенциала плоских зон от толщины окисного слоя при его послойном стравливании (рис.3.7), образующийся положительный заряд локализован в окисном слое на расстоянии, не превышающем 80 нм от межфазовой границы Si-Si02 , а его центроид оставляет (65+5) нм. Последующее БУФ - облучение структур без приложенного поля приводило к нейтрализации этого заряда.
Одной из основных характеристик структур Si-Si02 является неизменность их зарядовых свойств в процессе полевых воздействий, то есть полевая стабильность. Для изучения полевой стабильности SIMOX структур был использован метод полевых циклов в системе ЭДП, заключающийся в получении серии высокочастотных ВФХ после предварительной анодной поляризации с постепенно возрастающей напряженностью электрического поля в окисном слое в течение заданных промежутков времени. Результаты такого эксперимента приведены на рис.3.8. Зависимость полученная с БУФ - облучением. Дальнейшее увеличение напряженности поля приводило к образованию в окисном слое положительного заряда. Процесс образования данного заряда во время полевого воздействия не являлся завершенным и ограничивался пробоем исследуемых структур, так как формирование положительного заряда в объеме окисного слоя приводило к экспоненциальному увеличению протекающего через структуру электронного тока при фиксированной средней напряженности электрического поля. Величина образуемого положительного заряда определялась величиной напряженности электрического поля и временем его воздействия и достигала величины 5-Ю см . Для определения области локализации данного заряда и положение его центроида были проведены эксперименты по послойному профилированию (рис.3.9). Полученная после полевого воздействия зависимость Vjb от dox (кривая 2) указывала на локализацию данного заряда в слое S1O2, меньшем ІЗОнм с центроидом (65±5)нм. Низкотемпературный (Т 300С) отжиг не приводил к изменению величины наведенного полем положительного заряда. Несомненный интерес вызывает влияние БУФ-облучения на величину заряда, образующегося в результате полевого воздействия. Результаты такого воздействия показаны на (рис.3.10). БУФ-облучение без приложенного поля и приложенной анодной поляризацией ("+" на кремнии) с напряженностью поля менее чем 0.2 МВ/см приводило к уменьшению наведенного полем положительного заряда практически до величин зарядов даже меньших, чем на исходных структурах. Наблюдаемые изменения зарядового состояния структур происходли без изменения центроида (65±5)нм.
Особое место в рамках настоящей работы занимало изучение совместного влияния БУФ - облучения и полевого воздействия при анодной поляризации. Как уже отмечалось БУФ- облучение без приложенного поля и совместно со слабым полевым воздействием приводило к уменьшению как положительного заряда, образующегося в результате формирования структур, так и положительного заряда образующегося в результате полевого воздействия (рис.3.3 и ЗЛО). Вместе с тем полевое воздействие на SIMOX структуры совместно с БУФ-обл учением, начиная с некоторого значения средней напряженности электрического поля в окисном слое ( 1 МВ/см), причем действие только этого поля не изменяло зарядового состояния окисного слоя, приводило к образованию положительного заряда. Полевой цикл для SIMOX структур, полученный совместно с их БУФ - облучением и полевого воздействия на зарядовое состояние структур приведено на рис.3.8 .
Одной из задач данной работы являлось выяснение роли маскирующего окисла, используемого при создании структур Si-Sid, в формировании их зарядовых свойств. Структуры Si-Si02, полученные при имплантации кислорода в кремний, покрытый слоем термически сформированного окисного слоя, как уже отмечалось, также характеризовались наличием положительного заряда в окисном слое с центроидом (65±5)нм, как показали эксперименты по послойному профилированию окисного слоя (рис.3.4.). Величина заряда в этом случае оказывается меньшей и уменьшается с увеличением толщины маскирующего окисла. Наиболее существенное уменьшение положительного заряда наблюдается уже при наличии маскирующего окисла толщиной 46,6 нм (рис.3.5).
Для выяснения полевой стабильности структур Si-Si02 полученных при помощи маскирующего слоя на поверхности кремния был использован метод полевых циклов, результаты которого приведены на рис.3.11. Из рисунка видно, что полученные структуры сохраняют полевую стабильность в области электрических полей меньше 2,5 106 В/см.
При дальнейшем увеличении электрического поля, начиная с некоторого порогового значения Е] (Ej =3 МВ/см для dSCR = 0, Ej = 3.5 МВ/см для dSCR = 46.6 нм, Ei = 4.5 МВ/см для dscR 189.7 нм и Ei = 5.0 МВ/см для dscR = 246.4 им) величина 1 VFB резко увеличивалась. Зависимость пороговых значений напряженности электрического поля от толщины экранирующего окисного слоя приведены на рис.3.5. Как показали эксперименты по послойному стравливанию, наблюдаемое изменение зарядового состояния связано с образованием в окисле всех рассматриваемых структур положительного заряда в области МФГ Si-Si02 в слое не превышающим 100 нм, при этом центроид образующегося положительного заряда составляет величину (65±5) нм (рис.3.12).
Исходные зарядовые характеристики структур Si-Hkl
Вольт-фарадные характеристики структур Si-Hkl, полученные в системе ЭДП непосредственно после их формирования, приведены на рис.4.2 и рис.4.3. Для всех структур Si-Hkl удалось реализовать эффект поля в полупроводнике (модуляцию емкости) в широком диапазоне изменений поверхностного потенциала от состояния обогащения до состояния сильной инверсии. Это обстоятельство свидетельствовало о достаточно высоком качестве формируемых структур и позволило определить их исходные электрофизические характеристики, параметры формируемых диэлектрических слоев и изучить характер электронных процессов, протекающих в структурах Si-Hkl под влиянием внешних воздействий. Структуры Si-НЮг и Si-Zr02 в исходном состоянии характеризовались незначительным эффективным (суммарным зарядом в окисном слое без учета его пространственного распределения) зарядом. В случае структур Si It J НЮ2 его величина составила -3x10 см , а в случае структур Si-Zr02 - (-0,8x10 см"). Как показали эксперименты по послойному стравливанию окисных слоев в сочетании с измерением ВФХ, результаты которых приведены на рис.4.5 и рис.4.6, это являлось следствием существования в окисных слоях, по крайней мере зарядов двух знаков: положительного вблизи границы кремний-диэлектрик (-3x101 см 2 для Зі-НЮг и -7x10м см 2 для Si-Zr02) и отрицательного во внешней части окисных слоев (-15 нм). В случае окислов гафния величина отрицательного заряда составляла -Зх10"см"2 , а случае окислов циркония-3x1012 см"2.
В случае структур 5і-А12Оз величина встроенного заряда существенно зависела от способа формирования слоя А120з. Для структур, исследуемых структур в процессе полевого воздействия в выделенных областях. В области полей Е1 происходило образование положительного заряда в окисных слоях вблизи границы с кремнием. В области полей Е2 наблюдалось образование отрицательного заряда во внешней части окисных слоев. В области ЕЗ полевое воздействие (в случае структур Si-HfOj и Si 2Юг) вновь приводило к образованию положительного заряда в окисных слоях, величина которого значительно возрастала при дальнейшем увеличении напряженности поля в окисном слое (область полей Е4) вплоть до пробоя исследуемых структур.
В случае структур Si-A C , сформированных при помощи ALD метода при температурах подложки 200-300С, наблюдалась практически полная полевая стабильность зарядового состояния вплоть до 2 МВ/см. Дальнейшее увеличение напряженности поля в окисном слое приводило к формированию только положительного заряда, величина которого для заданного значения напряженности поля в окисном слое возрастала с увеличением температуры синтеза структур (рис.4.11).
В случае структур S1-AI2O3, сформированных магнетронным распылением, в области полей Е1 можно выделить два участка формирования положительного заряда, характеризующиеся различными механизмами его образования. На первом участке формирование положительного заряда начиналось практически сразу после приложения к структуре отрицательного (анодного) смещения. Кинетика формирования положительного заряда в этой области полей имела характерный вид кривой с насыщением, величина которого позволила определить концентрацию ЭАЦ, перезаряжающихся в этой области полей до положительного состояния. Она составила 2x1012 см 2. На втором участке, т.е. начиная с области полей 2 МВ/см, подключался новый механизм формирования положительного заряда, величина которого в этом случае определялась только временем полевого воздействия. При этом происходило формирование дополнительных положительно заряженных ЭАЦ с плотностью не менее 3x1012 см"2.
