Введение к работе
Актуальность темы
Дальнейшее увеличение степени интеграции интегральных микросхем (ИС) привело к тому, что линейные размеры элементов ИС составляют величины, соизмеримые с нанометром. Электрофизические характеристики наноструктур могут существенно отличаться от характеристик обычных полупроводниковых микроструктур. Кроме того, такие структуры более чувствительны к различным электрически активным дефектам.
В твердотельной электронике широко используются явления на межфазных границах, представленных широким набором различных контактов и относящихся к классу двухмерных дефектов. Контакты металл-полупроводник являются составной частью ряда перспективных активных элементов сверхскоростных ИС, сформированных на основе полупроводниковых гетероструктур с
тонким (яЮА) слоем таких металлов, как вольфрам, титан и др.
Отсутствие надежных данных об электронном энергетическом строении (ЭЭС) гетероструктур, содержащих тонкие слои металла, не позволяет иметь достоверные физические модели элементов ИС, сформированных на основе таких структур, а следовательно, выбирать оптимальные режимы их формирования и прогнозирования их электрофизических свойств.
Вместе с тем, при изготовление таких гетероструктур в полупроводниковой подложке дополнительно могут формироваться различные кристаллографические дефекты, основными из которых являются точечные дефекты, связанные с атомами металла. Несмотря на многочисленные исследования, физическая картина поведения многих точечных дефектов в кремнии и влияния их на его электронное энергетическое строение (ЭЭС) имеет много пробелов и далека от адекватного понимания. При этом важной задачей является определение энергии ионизации энергетических уровней, обусловленных этими дефектами.
Таким образом, моделирование ЭЭС кремния с кристаллографическими дефектами является одной го главных и
актуальных задач твердотельной электроники.
Целью диссертационной работы является исследование ЭЭС кремния с точечными дефектами и гетероструктур на его основе.
Поставленная цель определяет следующие основные задачи:
анализ существующих методов теоретического исследования ЭЭС твердого тела;
разработка методики и алгоритма расчета ЭЭС кремния, позволяющих исследовать влияние кристаллографических дефектов на его ЭЭС;
исследование влияния точечных дефектов, в частности, структурных вакансий, дефектов типа примесный атом замещения и комплексов примесный атом замещения - структурная вакансия, связанных с атомами титана или вольфрама в кремнии, на его ЭЭС;
исследование электронного строения гетероструктур типа полупроводник-металл-полупроводник, в частности, кремний-титан-кремний и кремний-вольфрам-кремний.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана методика расчета локальных изменений ЭЭС твердых тел, возникающих вблизи дефектов кристаллической структуры;
в рамках разработанной методики исследовано влияние структурной вакансии, атомов замещения титана или вольфрама, а также дефектов типа атом замещения - структурная вакансия, связанных с атомами титана или вольфрама, в кремнии на его ЭЭС;
исследовано ЭЭС следующих гетероструктур:
-
гетероструктура кремний-вольфрам-кремний, в которой одна из атомных плоскостей (100) кремния замещена атомами вольфрама;
-
гетероструктура кремний-титан-кремний, в которой одна из атомных плоскостей (110) кремния замещена атомами титана;
-
гетероструктура кремний-титан-кремний, в которой несколько (две, четыре или шесть) атомных плоскостей (111) кремния замещены атомами титана.
Практическая ценность:
- разработан универсальный пакет программ на Фортране-90,
позволяющий рассчитывать ЭЭС твердого тела, содержащего кристаллографические дефекты;
- результаты исследований могут, быть использованы для
прогнозирования электрофизических параметров
полупроводниковых структур и физического моделирования
активных элементов ИС на этапах их проектирования и разработки.
Методы исследования основываются на применении принципов зонной теории твердого тела, теории многократного рассеяния электронной волны (рассеянных волн), имитационного моделирования, численных методов линейной алгебры и решений дифференциальных уравнений.
Основные положения, выносимые на защиту:
- усовершенствованная методика моделирования ЭЭС твердого
тела, содержащего кристаллографические дефекты;
- модель, применяемая для расчета ЭЭС кремния с
кристаллографическими дефектами;
структурная вакансия в кремнии приводит к появлению в его запрещенной зоне двух дополнительньк энергетических состояний Ev + 0.2 эВ и Ее - 0.2 эВ;
атомы замещения титана или вольфрама не создают ГУ в запрещенной зоне кремния; с дефектом типа структурная вакансия-примесный атом замещения титана связано два ГУ: Ее - 0.30 эВ и Ее - 0.51 эВ; с комплексом структурная вакансия-примесный атом замещения вольфрама связан один ГУ - Ее - 0.24 эВ;
- модели ЭЭС гетероструктур кремний-моноатомный слой
вольфрама-кремний, кремний-моноатомный слой титана-кремний и
кремний-титан-кремний с различной толщиной металлического
слоя.
Апробацію диссертационной работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, Дивноморск, 1995-1998 гг.), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и
микроэлектроники" (Таганрог, Дивноморск, 1999 г.), Всероссийской
научно-технической конференции аспирантов и студентов "Новые
информационные технологии. Информационное, программное и
аппаратное обеспечение" (Таганрог, 1995 г.), научно-технических
конференциях профессорско-преподавательского состава,
аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 1995 - 1999 гг.), Международной конференции "Математические модели физических процессов и их свойства" (Таганрог, 1997 г.), а также на научных семинарах в МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), в Московском государственном институте электронной техники (ТУ) (г. Москва), в КБГУ (г. Нальчик), в ДГТУ (г. Ростов-на-Дону), а так же при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ и гранта "Разработка электрофизических моделей новых полупроводниковых приборов, сформированных методом нлзерографии".
Результаты диссертационной работы используются при разработке сенсорных элементов на основе структурно-неоднородных областей кремния, сформированных воздействием локальных энергетических источников в НИИ МВС (г. Таганрог), при разработке фотоприемников на основе кремния с глубокими примесными уровнями в Высокогорном геофизическом институте РАН (г. Нальчик), а также в учебном процессе кафедры физики ТРТУ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, сформулированных в диссертации, подтверждаются результатами вычислительных экспериментов на ЭВМ, публикациями, апробацией работы на ряде международных и всероссийских конференций, практическими использованиями результатов диссертационной работы, подтвержденными соответствующими актами о внедрении.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано два отчета пс НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 115 наименований и приложения. Общий объем диссертации 178
