Введение к работе
Актуальность темы. Электроника полупроводниковых гетероструктур, в особенности кремниевых МДП структур, является и по прогнозам будет оставаться одним из самых динамично развивающихся направлений микро-и наноэлектроники, базирующимся на фундаментальных достижениях физики конденсированных сред, химии и технологии поверхностей и межфазных границ металлов, полупроводников и диэлектриков.
Разработка микроэлектронных интегральных сенсоров является перспективным научно-техническим направлением в создании новой элементной базы для современных измерительно-информационных систем. Возможность использования достижений кремниевой технологии является немаловажным фактором при выборе вариантов первичных измерительных преобразователей, в том числе сенсоров влажности. Кроме того, устойчивая тенденция к уменьшению толщины рабочих и изолирующих слоев стимулирует поиск альтернативных диэлектриков с более высокой по сравнению с диоксидом кремния величиной диэлектрической проницаемости для будущих поколений полевых структур.
В представленных в литературе газовых и химических сенсорах на основе МДП и МОП структур функциональная реакция связана главным образом с изменением работы выхода металлического электрода, обладающего каталитической активностью, а диэлектрический слой является пассивным. В настоящей работе основной интерес направлен на изучение характеристик МДП сенсоров с "активными" в отношении адсорбции диэлектриками, какими являются, прежде всего, оксиды переходных металлов (ZnO, ТІО2, S11O2, WO3, NiO), широко изучаемые и используемые в газовых сенсорах и более простого резистивного типа.
Для изучения электронных и физико-химических процессов, происходящих при гетерогенных реакциях адсорбции-десорбции различных газов и паров на поверхности металлоксидных пленок, весьма продуктивными оказались экспериментальные методики исследования МДП структур, особенно методика вольт-фарадных характеристик (ВФХ).
Возможности методики ВФХ в исследовании оксидирования тонких
пленок металлов на кремнии удачно дополняют традиционный арсенал
прямых и косвенных структурно - чувствительных методов.
Полупроводниковые сенсорные гетероструктуры могут выступать здесь и как объект, и как инструмент исследования.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР ВГУ.
Цель работы - установление закономерностей электронных и сорбционных процессов в кремниевых МОП структурах с несобственным оксидным слоем.
В задачи исследования входило: 1. Разработка методики изучения сорбции паров воды в кремниевых гетероструктурах с пористым диэлектрическим слоем (рог-Si, a-W03, полиамидом).
Исследование влияния сорбции паров воды на электрофизические характеристики кремниевых МОП структур (a-WOs/Si) с аморфными пленками триоксида вольфрама, полученными термическим напылением.
Исследование влияния сорбции паров воды на электрофизические характеристики гетероструктур рог-Si/Si с различной морфологией пористого кремния. Определение параметров указанных структур как емкостных сенсоров влажности.
4. Определение возможностей анализа высокочастотных ВФХ МОП структур
как косвенного метода исследования фазо- и дефектообразования при
оксидировании тонких пленок металлов на кремнии. Изучение
электрофизических характеристик кремниевых МОП структур
с несобственным оксидным слоем - Sn02, ZnO, WO3, NiO, №>г05, PdOx.
Научная новизна работы.
Установлено, что структурно - стабилизированные ("состаренные") аморфные пленки триоксида вольфрама обратимо сорбируют пары воды с заметным изменением электрофизических характеристик -диэлектрической проницаемости и проводимости; адсорбция паров воды не изменяет зарядовых параметров структуры Al/a-WOs/Si, ее высокочастотные (ВЧ) ВФХ показывают систематический рост емкости в обогащении с увеличением относительной влажности; зависимость этой емкости от относительной влажности отражает вид изотермы адсорбции паров воды для аморфного триоксида вольфрама.
Установлено, что влияние адсорбции паров воды на электрофизические характеристики аморфных пленок триоксида вольфрама и пористого кремния имеет объемную и поверхностную составляющие. Обнаружено явление растекания заряда по проводящему слою гидратированных диэлектриков, а также возможность электролиза воды в сенсорах влажности.
Термооксидированием тонких пленок металлов (W, Sn, Ni, Zn, Nb, Pd) на монокристаллическом кремнии сформированы гетеропереходы оксид/полупроводник и определены их зарядовые параметры. Низкая плотность поверхностных состояний на гетерогранице связана с наличием подслоя естественного оксида БіОг. Обнаружена общая особенность МОП структур с нестехиометрическими (анион-дефицитными) оксидами, заключающаяся в появлении моноэнергетического уровня на фоне непрерывного спектра поверхностных состояний.
4. Предложена альтернативная форма представления вольт-сименсных
характеристик МДП структур как динамических вольт-амперных
характеристик.
Практическая значимость исследований.
1. Конденсаторные структуры с аморфными пленками триоксида вольфрама (а-\УОз) и пористого кремния (рог-Si) могут быть использованы в качестве сенсоров влажности емкостного типа, имеющих достаточно высокие чувствительность и быстродействие.
МДП структуры могут быть использованы как инструмент исследования сорбционных и диффузионных характеристик неоднородных диэлектрических материалов, отличающийся высокой чувствительностью и локальностью анализа.
Обнаруженные явления растекания заряда по гидратированному слою диэлектрика и электролиза воды необходимо учитывать при выборе конструкции емкостных сенсоров влажности для повышения их эксплуатационных характеристик.
Поликристаллические пленки триоксида вольфрама могут представлять интерес для полупроводниковой микроэлектроники МОП структур как материал с большой диэлектрической проницаемостью (є ~ 200).
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. На основе анализа ВЧ ВФХ емкостного сенсора влажности с пористым
кремнием установлено, что при анодном травлении монокристаллического
кремния ориентации (111) образуется связная сеть пор объемом до 85%.
Изменение высокочастотной емкости структуры Al/por-Si/Si при вариации
относительной влажности воздуха связано не только с физической
адсорбцией паров воды в слое por-Si, но и с растеканием заряда
по гидратированному слою диэлектрика и с возможным электролизом
сорбированной воды.
2. В структурно-стабилизированных ("состаренных") пленках a-W03,
построенных из образующих планарную сетку аксиально-деформированных
вольфрам-кислородных октаэдров, сорбция водяных паров имеет физический
механизм и является обратимым процессом. Адсорбция паров воды
не изменяет зарядовых параметров структуры Al/a-WOs/Si. Зависимость
высокочастотной (1 MHz) емкости структуры с такой пленкой
от относительной влажности отражает вид изотермы адсорбции паров воды.
3. Термооксидированием тонких пленок металлов (W, Sn, Ni, Zn, Nb)
на монокристаллическом кремнии, приводящим к образованию
поликристаллических фаз высших оксидов, формируются гетероструктуры
с низкой плотностью поверхностных состояний.
4. В кремниевых МОП структурах с нестехиометрическими оксидами WO3-X,
S11O2-X, PdOx на ВЧ ВФХ проявляется моноэнергетический уровень на фоне
непрерывного спектра поверхностных состояний. Глубокое неравновесное
обеднение в структурах определяется относительно высокой
проводимостью нестехиометрических оксидов, препятствующей
возникновению инверсионного слоя в кремнии.
Личный вклад автора. Основные экспериментальные данные, включённые в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы выводы и положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11, 12, 13 Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2005; 2006; 2007); VII Всероссийской молодежной научно-технической конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005); III Всероссийской конференции "Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" (Воронеж, 2006); VII Международной научно-технической конференции "Кибернетика и высокие технологии XXI века" (Воронеж, 2006); Всероссийской научно-практической конференции "Современная химия. Теория, практика, экология" (Барнаул, 2006); XXXVII Международном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 8 статей в реферируемых научных журналах, 6 работ в материалах конференций и тезисы 3 докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 109 наименований. Объём диссертации составляет 109 страниц, включая 34 рисунка и 2 таблицы.
