Введение к работе
Актуальность темы исследовании. Развитие микроэлектроники и современных систем отображения информации требует создания тонкопленочных активных элементов (АЭ), обладающих новыми свойствами и возможностями. Это элементы типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), металл-диэлектрик-металл (МДМ), металл-диэлектрик-металл-диэлекгрик-металл (МДМДМ). Управляющие МДМ и МДМДМ-элеиенты могут применяться в схемах первичной обработай сигналов, сопряженных с тонкоплецочными датчиками и другими активными элементами, совместимыми с интегральными схемами (ИС), а также в виде управляющих матриц жидкокристаллических (ЖКИ), вакуумных люминесцентных (ВЛИ), электрохромных, плазменных индикаторов, индикаторов с автоэлектронной эмиссией, в приборах с зарядовой связью.
МДП- к МДМ-элементы могут выполнять функции усиления, генерации и преобразования сигналов, могут быть использованы в качестве конденсатора и резистора, регулируемых в определенных пределах подачей потенциала на управляющий электрод, а также как элементы переключения и памяти. Широкий диапазон функциональных возможностей этих структур особенно ценен для микроэлектроники, так как позволяет создавать сложные интегральные схемы и микросборки из однородных компонентов, изготовляемых по единой технологии.
С совершенствованием микрокалькуляторов, электронных часов и компактных индикаторных панелей значительно возрос интерес к системам отображения информации и индикаторным устройствам на их основе. Общий рынок плоских индикаторных панелей в 1996 г. составил 12,3 млрд. долларов, а з 2002 г. ожидается его рост до 23,7 млрд. долларов. Среди таких устройств неуклонно растет доля цветных мониторов. Наиболее интенсивные работы ведутся в области создания широкоформатных индикаторов с активной матричной адресацией. Использование тонкопленочных МДМ-элементов позволит существенно )тіростить технологию формирования индикаторных устройств с использованием матриц на их основе, а также снизить ее стоимость в сравнении с матрицами МДП-элементов. Возрастающий интерес специалистов привлекает разработка конструкций и технологии изготовления устройств электронной техники, позволяющих совместить процесс формирования многоуровневой системы межсоединений (МСМ) с одновременным формированием матриц активных тонкопленочных элементов.
Анализ характеристик существующих МДМ-элементов показал, что они имеют малый срок службы, нестабильные и невоспроизводимые параметры. Для создания структур с требуемыми характеристиками и разработки на их основе промышленных образцов активных матриц для ВЛИ необходимы детальные
исследования процессов, происходящих в диэлектрике МДМ-элементов, выяснение механизма проводимости, отработка процессов формирования качественных тонких и сверхтонких слоев диэлектрика и формирование на их основе МДМ-элементов с несимметричными нелинейными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), а также разработка новых конструктивно-технологических решений при формировании матриц тонкспленочных МДМ-элементов.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Лаборатории гибридной технологии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники в рамках исследовательских проектов Министерства образования РБ (1991-1999 гг ШТ01910014119, ГР19942898, ГР1997997), Республиканской научно-технической программы "Информатика" (1995-2000 гг № ГТ19972666).
Целью настоящей работы являлось установление закономерностей проводимости нелинейных МДМ-злементов на основе анодного оксида алюминия в зависимости от условий их формирования, разработка теоретической модели переноса носителей заряда в таких МДМ-элементах, отработка технологических режимов формирования МДМ-элементов с нелинейными асимметричными вольт-амперными характеристиками с целью их использования в качестве управляющих элементов матричных индикаторных устройств, разработка конструкции и технологии изготовления матрицы МДМ-элементов, встроенной в анодную плату вакуумного люминесцентного индикатора.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
исследовать влияние режимов формирования пленок анодного оксида алюминия толщиной 50-200 нм на электрофизические характеристики нелинейных управляющих МДМ-элементов на основе такого оксида;
провести теоретический анализ механизмов проводимости МДМ-элементов с использованием пленок анодного оксида алюминия и разработать модель зарядопереноса в таких элементах;
разработать конструктивно-технологические методы улучшения несимметричности вольт-амперных характеристик МДМ-элементов;
разработать конструкцию к технологический процесс формирования матрицы управляющих МДМ-элементов с двухуровневой разводкой строковых и столбцовых шин для анодной платы ВЛИ.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Разработана модифицированная модель переноса электронов в МДМ-структуре с неоднородным диэлектриком (анодным оксидом алюминия) толщиной 50-200 нм в области сильного электрического поля (-(2-^-4)-108 В/м), объединяющая последовательно действующие механизмы надбарьерной эмиссии Шоттки и объемного переноса по Пулу-Френкелю.
-
Установлено, что эффективный коэффициент нелинейности ВАХ МДМ-элементов в области сильного поля, в отличие от известных моделей для подобных структур, представляет собой сумму коэффициентов нелинейности для механизмов Шоттки и Пула-Френкеля и наиболее близок к расчетному значению в случае формирования анодного оксида в электролитах на основе 1% лимонной кислоты и пентабората аммония (ЛБА) с добавлением этиленгликоля.
-
Установлено, что энергия активация проводимости оксида алюминия в МДМ-элементе в области сильного поля определяется типом электролита формовки и составляет 0,33-Ю,38 эВ для электролита на основе 1% лимонной кислоты и 0,69-Ю,72 эВ для электролитов на основе 1% лимонной кислоты или пентабората аммония с добавлением этиленгликоля. Полученные данные позволяют оптимизировать рабочий температурный режим МДМ-элементов в индикаторах и других приборах.
-
Показано, что перенос тока в МДМ-структуре с диэлектриком толщиной порядка десятков нанометров контролируется электрически активными центрами
-у границ раздела оксида с электродами за счет локальных искажений высоты потенциального барьера для Шоггки-эмиссии величиной в несколько кТ, в результате чего перекос электронов через структуру приобретает локализованный, а не однородный по площади характер, и происходит увеличение эффективного коэффициента нелинейности ВАХ МДМ-элемента.
5. Установлено, что применение подслоя металла итгриевой подгруппы
лантаноидов (Y, Dy, Tm и др.) толщиной до 30 нм под верхний электрод позволяет
улучшить электрические параметры МДМ-элементов: повысить несимметрич
ность ВАХ ч напряжение пробоя, снизить ток утечки и тангенс утла диэлектри
ческих потерь оксида в МДМ-структуре.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1. Разработан способ формирования нелинейных МДМ-элементов с несимметричной ВАХ с использованием процесса анодного окисления алюминия. . Полученные экспериментальные закономерности и предложенные конструктивно-технологические методы и рекомендации для формирования дискретных МДМ-элементов могут быть использованы при разработке гибридных и тонкопленочных схем и дискретных приборов индикаторной техники, микро-, наноэлектроники и сенсорики.
-
Предложен метод контроля несимметричности ВАХ МДМ-элементов с помощью подслоя модифицирующего металла из группы лантаноидов.
-
Разработана новая конструкция анодной платы В ЛИ, в которой матрица управляющих МДМ-элементов встроена в многоуровневую систему межсоединений. Совмещение тонкопленочных МДМ-элементов диодного типа и анодных сегментов значительно упрощает конструкцию анодной платы ВЛИ и технологию ее изготовления. Конструкция анодных сегментов обеспечивает последующее селективное осаждение катодолюминофора. Разработанная конструкция анодной платы устраняет необходимость создания дополнительной управляющей сетки.
-
Разработана недорогая, экологически эффективная технология изготовления анодной платы ВЛИ с использованием процессов анодного окисления алюминия и тонкопленочной системы тантал-алюминий, обеспечивающая формирование в едином технологическом процессе МДМ-элементов, встроенных в планарную двухуровневую систему металлизации. Предложенная технология позволяет упростить процесс изготовления анодной платы ВЛИ за счет сокращения числа операций, в частности дорогостоящих операций вакуумного и плазменного осаждения и травления. Проведено опробование предложенной конструкции анодной платы ВЛИ в НИИ знакосинте-зирующей элекгроники "Волга"(г.Саратов, Россия).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Процесс переноса электронов в МДМ-элементах с неоднородным диэлектриком (анодным оксидом алюминия) толщиной 50-200 нм в области сильного электрического поля (-(2-^4)-108 В/м) осуществляется путем модифицированного механизма, объединяющего последовательно действующие механизмы надбарьерной эмиссии Шоттки и объемного переноса по Пулу-Френкелю.
-
Наличие локальных электрически активных центров у границ раздела оксида с электродами приводит к локальным понижениям высоты потенциального барьера величиной в несколько кТ для эмиссии Шоттки электронов в оксид, что увеличивает плотность тока и эффективный коэффициент нелинейности ВАХ МДМ-элементов.
-
Введение промежуточного подслоя металла иттриевой подгруппы лантаноидов (У, Тт, Dy и др.) толщиной до 30 нм под верхний электрод позволяет контролировать несимметричность ВАХ и повысить напряжение пробоя МДМ-элементов вследствие модификации приграничного слоя анодного оксида алюминия и нейтрализации электрически активных центров в этом слое благодаря высокой химической активности такого подслоя.
-
Эффективная энергия активация проводимости оксида алюминия в МДМ-элементе в области сильного поля определяется типом электролита формовки: 0,33-Ю,38 эВ для электролита на основе 1% лимонной кислоты и 0,69-Ю,72 эВ для
электролитов на основе 1% лимонной кислоты или пеятабората аммония (ПБА) с добавлением этиленгаиколя. Использование полученных электрофизических характеристик исследуемых структур позволяет определить оптимальные условия формирования нелинейных активных МДМ-элементов с требуемыми параметрами.
5. Разработанная конструкция и технологический процесс изготовления матрицы управляющих МДМ-элеменгов, встроенной в двухуровневую систему межсоединений анодной платы ВЛИ, с применением процесса электрохимического анодного окисления алюминия, позволяют совместить тонкопленочные МДМ-элементы с анодными сегментами и исключить необходимость применения управляющей сетки индикатора.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в его непосредственном участии в проведении экспериментальных исследований, в разработке представленной в диссертации модели, в анализе, обобщении и интерпретации полученных результатов, в разработке конструкций матрицы МДМ-элементов, встроенной в двухуровневую систему межсоединений, и разработке технологии изготовления матрицы нелинейных МДМ-элементов с двухуровневой разводкой строковых и столбцовых шин.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Республиканский научно-технический семинар "Анод-88" (Казань, 1988), Прогрессивная технология изготовления ГИМС (Минск, 1988), Низкотемпературные технологические процессы в _ электронике (Ижевск, 1990), Электрохимическая алюмооксидная технология создания микросхем (Минск, 1991), Научная конференция, посвященная 30-летию БГУИР (Минск, 1994), Современная технология ГИМС, включая элементы сверхпроводниковой электроники (Нарочь, 1994), Новые информационные технологии в науке и производстве (Минск, 1998), международных конференциях Int. Conf.on Energy, Environment and Electrochemistry (Караикуди, Индия, 1992), 13-я ежегодная конференция "Condensed Matter" (Регенсбург, Германия, 1993), 14-я ежегодная конференция "Condensed Matter" (Мадрид, Испания, 1994), Micro Mat'97, 2000. Int.Conf.and Exhibition , (Берлин, Германия, 1997, 2000), Int.Conf.on Nanometer-scale Science and Technology (NAN05) (Бирмингем, Великобритания, 1998), междуна-родная конференция Европейского материаловедческого общества "Е-MRS*1998" (Страсбург, Франция, 1998), IEEE Conf. "Circuits, Systems, Communications and Computers (CSCC'99) (Афины, Греция, 1999), 8 Int.Conf. on Electroanalysis "ESEAC2000" (Бонн, Германия).
Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 10 статей в научных и научно-технических журналах, 6 статей в сборниках материалов конференций, 13 тезисов докладов конференций, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации составляет 180 страниц, в толі числе:
63 рисунка на 64 страницах, 15 таблиц, 2 приложения на 2 страницах и библиография из 151 наименования на 11 страницах.
