автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Термостимулированные процессы на глубоких уровнях в полупроводниках и гетероструктурах на их основе

/) ((Ь, ь{,О)С)^0<2г/о

7

Министерство общего и профессионального образования РФ

Г

^ _ ^ ,/ У А/ * !Х-

^ / Т 7&С - ¿у

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический

университет) „

■42 ЛХЧЛ Л?'-//РФ ТТ

................На правах рукописи

УДК 538.971; 621.739

-V

Коровин Александр Павлович

ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ГЛУБОКИХ УРОВНЯХ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ИХ ОСНОВЕ.

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника

и Наноэлектроника

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999 г.

Оглавление

Введение

1, Теория методов тфмостимулирования 6

1.1. Метод термосгимулированного тока 24

1.2. ТСТ в случае активации фотопроводимости 28

1.3. Некоторые особенности метода ТСТ при исследовании низкоомных материалов 32

1.4. Метод термостимулированной ЭДС на р-п переходе 38

1.5. Метод термосгимулированного разряда конденсатора (ТРК) 40 1.5.1. Определение параметров центров захвата на кривых ТРК 44 1.52. Сечение захвата ловушек 47

1.5.3. Концентрация заполненных ловушек 49

1.5.4. Зависимость и(Т) 51

1.5.5. Метод ТРК с большой дополнительной ёмкостью 53 Выводы к главе 1 57

2. Физические свойства кремния и структур на его основе 58 2.1. Электрофизические свойства эпитаксиальных слоев кремния, легированных

магнием, галлием, висмутом и таганом 58

2.1.1. Исследованные образцы 58

2.1.2. Подготовка контактов 59

2.1.3. Электрофизические свойства гомоэпитаксиальных слоев кремния, легированных магнием 60

2.1.4. Исследование электрофизических свойств эпитаксиальнош кремния, легированного галлием 63

2.1.5. Электрофизические свойства эпитаксиальнош кремния, легированного титаном 63

2.1.6. Электрофизические свойства эпитаксиальнош кремния, легированного висмутом 63

2.1.7. Обсуждение результатов 69

22. Глубокие центры захвата в эпитаксиальных слоях кремния, легированных

в процесс выращивания магнием, галлием, висмутом и титаном 71

Выводы к главе 2 77

3. Физические свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире

(КНС) 78

3.1. Электрофизические сюйстш гетероэпитаксиальных слоев КНС

3.1.1. Методика проведения эксперимента 78

3.12. Контроль электрофизических параметров субмикронных слоев КНС 85

3.1.3. Электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев КНС со стабилизированной поверхностью 91

3.1.4. Электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС) п-типа проводимости, неопжигавшихся и подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосферах аргона и кислорода 106

3.1.4.1. Приготовление образцов 106

3.1.4.2. Электрофизические свойства неогожжённых образцов КНС п-типа проводимости 112

3.1.4.3. Электрофизические свойства образцов КНС п-типа проводимости, отожжённых в атмосфере кислорода 117

3.1.4.4. Электрофизические свойства образцов КНС п-типа проводимости, отожжённых в атмосфере аргона 120

3.1.4.5. Обсуждение результатов 123

3.1.5. Влияние термической обработки на электрические параметры субмикронных слоёв кремния на сапфире 126

3.2. Параметры глубоких центров захвата структур КНС, полученные методом термостимулированного разряда конденсатора (ТРК) 136

3.2.1. Параметры глубоких центров захвата в слоях КНС со стабилизированной

поверхностью с толщиной слоя кремния 0,6 мкм 137

3.2.1.1. Спектры тока ТРК образцов КНС, полученных щдридным методом 137

3.2.1.2. Спектры тока ТРК образцов КНС, полученных хлорид-гидридным методом 139

слоев КНС

3.2.2. Исследование параметров глубоких центров захвата n-типа проводимости, неотжигавшихся и подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосфере аргона и кислорода 143

322.1. Спектры тока ТРК неотожжённых образцов КНС n-типа проводимости 143 3222. Спектры ТРК образцов КНС, подвергнутых высокотемпературному отжигу в атмосферах аргона и кислорода 143

322.3. Обсуждение результатов 146 32.3. Параметры глубоких центров захвата в гетероэттитаксиальных слоях КНС

с толщиной эпитаксиального слоя кремния 0,1 и 0,3 мкм 152

32.3.1. Исследованные образцы 153

32.32. Спектр тока ТРК гетероэпитаксиальных слоев КНС с толщиной

эпитаксиального слоя кремния 0,1 и 0,3 мкм, неотжигавшихся и подвергнутых

ВЫ 1 IT Л

низкотемпературному лазерному и сокотемпературному отжигу 154

3.2.3.3. Спектр тока ТРК слоев КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния

ОД и 0,3 мкм, подвергнутый у-облучению 162

3.2.3.4. Спектр тока ТРК слоев КНС с толщиной эпитаксиального слоя кремния

ОД и 0,3 мкм, подвергнутых облучению нейтронами 168

32.3.5. Обсуждение результатов 171

Выводы к главе 3 182

4. Физические свойства арсенида гаштия и структур на его основе 186

4.1. Физические свойства полуизолирующих образцов арсенида галлия, компенсированного хромом 186

4.2. Параметры глубоких центров захвата в полуизолирующем арсениде галлия, легированном хромом 190

4.2.1. Спектры термосгимулированного тока 190

4.2.2. Спектры тока ТРК 193 42.3. Обсуждение результатов 199

4.3. Параметры глубоких центров захвата в эпитаксиальных слоях арсенида галлия 200

4.4. Глубокие центры захвата в структурах на основе арсенида галлия 201

4.4.1. Параметры глубоких центров захвата в многослойных структурах на

основе арсенида галлия, используемых в СВЧ полевых транзисторах 204

4.5. Глубокие центры захвата в высокоомном арсениде галлия, используемом для

создания преобразователей ИК диапазона 205

Выводы к главе 4 223

5. Физические свойства JnP 225

5.1. Электрофизические свойства полуизолирующего слоя JnP 223

5.2. Физические свойства ионнолегированных слоев JnP 233

5.3. Исследование физических свойств эпитаксиальных слоев JnP 245

5.4. Определение параметров глубоких центров захвата методами тфмостимулированного тока и термостимулированного разряда конденсатора в компенсированном железом JnP 248

5.4.1. Измерения ТСТ 250

5.42. Измерения ТРК 254

5.4.3. Обсуждение результатов 255

5.5. Определение параметров глубоких центров захвата в эпитаксиальных

слоях JnP 257

Выводы к главе 5 261

6. Исследование параметров глубоких центров захвата в теллуриде кадмия и твёрдом растворе Cd \ ^Z^Te 264

6.1. Исследование глубоких центров захвата в монокристаштических образцах

CdTe, легированных Al в процессе зонной кристализации 266 62. Исследование глубоких центров захвата в монокристаллических образцах

теллурида кадмия, легированного хлором 271 6.3. Исследование глубоких центров захвата

в твёрдом растворе ZnxCd| _xTe(Cl) 273

Выводы к главе 6 285

Заключение 287

Литература 291

ВВЕДЕНИЕ

Развитие электронной техники, в особенности оптоэлектроники, микро- и наноэлектроники, в настоящее время определяется развитием физики и техники полупроводников. Наличие примесей, образующих в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни, играет весьма существенную роль в работе полупроводниковых приборов. Влияние глубоких уровней обусловлено тем, что они могут являться: - центрами излучательной и безызлучательной рекомбинации; центрами прилипания свободных носителей заряда; центрами, несущими электрический заряд;

центрами, способными захватывать или отдавать носители заряда посредством туннельного эффекта, как из разрешенных зон, так и с других локальных уровней.

Проявления влияния глубоких центров захвата на энергетические, оптические, люминесцентные, фотоэлектрические, резонансные и другие физические свойства полупроводников весьма многочисленны и разнообразны.

Известно, например, что легирование арсенида галлия хромом и кислородом приводит к появлению в запрещенной зоне глубоких энергетических уровней, обуславливающих высокое удельное сопротивление, что позволяет использовать этот материал в качестве диэлектрической подложки в интегральных схемах.

Поскольку глубокие уровни могут быть центрами излучательной рекомбинации, они могут выступать в качестве основного канала рекомбинации и определять спектр излучения светодиодов.

Глубокие уровни могут оказывать влияние на величину внешнего квантового выхода люминесценции. Известно, например, что введение алюминия и кислорода в карбид кремния, повышает эффективность примесной электролюминесценции, а наличие глубоких примесей в фосфиде галлия

уменьшает внешний квантовый выход красных светоизлучающих диодов до 15% и зеленых до 0,7%.

Наличие глубоких центров накладывает ограничения на область использования полупроводниковых приборов, уменьшая время жизни неосновных носителей заряда, вызывая увеличение токов утечки, шумов транзисторов. В частности, наличие глубоких центров приводит к резкому увеличению низкочастотного шума в МДП КНС транзисторах при достижении обедненной областью границы с подложкой.

Необходимость экспериментального изучения примесей и дефектов определяется тем, что до настоящего времени полупроводниковые материалы содержат большое количество неконтролируемых примесей и дефектов решетки, а также тем, что еще не создано теории, позволяющей рассчитывать параметры примесных центров.

Для создания приборов используются новые полупроводниковые материалы, в том числе, и со сложным составом (соединения А3В5 и А2Вб, твердые растворы на их основе, гетероэпитаксиальные слои кремния на изолирующей подложке), технология изготовления которых существенно сложнее и поэтому в них не достигнута чистота, достигнутая в традиционных полупроводниках. Таким образом, исследование глубоких центров в этих материалах является особенно важной и актуальной задачей.

Среди экспериментальных методов, предложенных для изучения глубоких центров ( фотопроводимость, эффект Холла, емкостная спектроскопия и т.д.) в настоящее время широко используются методы термостимулирования, имеющие целый ряд достоинств:

в экспериментальном отношении методы термостимулирования достаточно просты и не требуют применения дорогостоящего оборудования; в теоретическом отношении они достаточно обоснованны;

методами термостимулирования определяются энергетическое положение, сечение захвата и концентрация локальных уровней в запрещенной зоне полупроводника, причем могут быть изучены уровни

д

любой природы, независимо от того связаны ли они с примесными атомами и дефектами кристаллической структуры или с комплексами, включающими и то и другое. Методами термостимулирования могут быть исследованы как донорные, так и акцепторные уровни, играющие роль как уровней прилипания, так и уровней рекомбинации;

методы термостимулирования позволяют во многих случаях изучать уровни, которые не поддаются изучению другими методами;

методы термостимулирования позволяют изучать уровни как в однородном материале, так и в готовых приборах, что важно, поскольку неконтролируемые примеси часто появляются в процессе изготовления приборов;

методы термостимулирования особенно эффективны при изучении глубоких неконтролируемых примесей, поскольку они имеют чувствительность, слабо зависящую от глубины уровня и соотношения концентраций, и позволяют разделить практически любые уровни, независимо от природы, и определить их основные кинетические параметры;

метод термостимулирования является неразрушающим методом. Поскольку вид кривых термостимулирования воспроизводится при воспроизведении условий эксперимента, этим методом можно получить достоверную и весьма детальную информацию об объекте исследования.

Таким образом, общефизический и практический интерес к изучению глубоких центров в полупроводниковых соединениях определяет актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы: разработка высокочувствительной методики измерения параметров глубоких центров в полупроводниковых структурах и исследование возможности ее применения для контроля параметров материала при производстве полупроводниковых приборов на основе гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире, а также полупроводниковых соединений группы А3В5 и А2В6.

Для достижения этой цели в работе предполагалось:

1. Провести анализ известных модификаций метода термостимулирования с целью выявления наиболее эффективных модификаций для создания надежной и эффективной методики определения параметров уровней в соединениях А3В5 и А2В6и гетероэпитаксиальных слоях КНС.

2. Исследовать экспериментально параметры глубоких центров захвата в кремнии и в гетероэпитаксиальных слоях кремния на сапфире ( КНС ) с толщиной слоя кремния 0,6 - 0,3 и 0.1 мкм.

3. Изучить влияние ряда внешних воздействующих факторов (отжига, радиационной обработки, лазерной обработки и др.) на электрофизические параметры и параметры глубоких центров захвата в гетероэпитаксиальных слоях КНС.

4. Исследовать электрофизические параметры и параметры глубоких центров захвата в соединениях группы А3В5 - монокристаллическом арсениде галлия и фосфиде индия, а также в эпитаксиальных и ионнолегированных слоях на их основе.

5. Исследовать параметры глубоких центров захвата в многослойных структурах на основе арсенида галлия. Определить локализацию полученных центров захвата.

6. Экспериментально исследовать электрофизические параметры глубоких центров захвата в образцах соединений группы А2В6 - теллуриде кадмия и твердом растворе цинк-кадмий-теллур, используемых для создания радиационных детекторов.

7. Разработать методика измерения электрофизических параметров гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире с толщиной слоя кремния 0,6 мкм.

8. На основе полученных при исследованиях значений электрофизических

параметров и параметров центров захвата в полупроводниковых соединениях

группы А3В5 данных разработать методики отбора материалов для

изготовления рентгеновских и у-детекторов, а также для других полупроводниковых приборов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложена новая методика исследования полупроводниковых структур, включающая:

комплексное измерение электрофизических параметров и параметров глубоких центров захвата методами термостимулирования (ТСТ и ТРК) на одном образце;

использование современной аппаратуры при измерения спектров тока ТСТ и ТРК;

применение комбинированного возбуждения (оптическое возбуждение и электрическое поле) в процессе зарядки конденсатора при проведении измерений методом ТРК;

измерение в схеме с большой дополнительной емкостью; высокоточная методика обработки результатов измерений. Это позволило повысить чувствительность определения параметров глубоких центров захвата (минимальное значение наблюдаемой концентрации глубоких центров захвата находится на уровне ~ 108 см"3, что на несколько порядков ниже обычно наблюдаемых величин).

2. Разработанная методика позволила выявить в полупроводниковых структурах новые физические эффекты, связанные с глубокими центрами.

2.1. Впервые показано, что в кремнии, выращенном на сапфировой подложке с толщиной слоя кремния 0,1; 0,3 и 0,6 мкм имеются доминирующие рекомбинационные центры, обладающие большими значениями сечения захвата (10~15- 10"16 см2), уровни которых располагаются вблизи середины запрещенной зоны (Ес -0,55эВ; Еу +0,55эВ; Ес -0,48эВ; Еу +0,46эВ), концентрация которых практически не меняется при различных видах

обработки (высокотемпературный отжиг, у-облучение и облучение быстрыми нейтронами, низкотемпературный лазерный отжиг), что указывает на единую природу соответствующих центров, связанных, по-видимому, со структурными дефектами, образующимися в процессе гетероэпитаксии.

2.2. Впервые экспериментально исследовано влияние внешних воздействующих факторов (высокотемпературного отжига в инертной атмосфере, низкотемпературного лазерного отжига, у облучения и облучения быстрыми нейтронами) на параметры глубоких центров захвата в

гетероэпитаксиальных слоях кремния на сапфире с толщиной слоя кремния

<

0.1 и 0.3 мкм, предполагаемых к использованию в БИС КНС; установлено, что дефекты кристаллической решетки, обусловленные низкотемпературным лазерным отжигом, высокотемпературной и радиационной обработкой приводят к образованию дополнительных рекомбинационных центров, некоторые из которых имеют достаточно

15 3

высокие концентрации (больше 10 см" ) и большие сечения захвата (81 ~

15 IV 2

ю- - Ю"1' см ), что приводит к заметным изменениям электрофизических характеристик материала.

2.3. Показано, что концентрация глубоких центров в слоях кремния на сапфире с толщиной слоя кремния 0.1 мкм более, чем на порядок превышает аналогичную концентрацию в образцах КНС с толщиной кремния 0.3 мкм.

2.4. Установлено, что концентрация глубоких центров захвата в структурах КНС с толщиной слоя кремния 0.1 мкм сопоставима с концентрацией легирующей примеси (ТЧг>1015 см"3), поэтому обнаруженные центры могут снижать подвижность носителей заряда в КНС и являться причиной аномальных токов утечки в БИС КМОП КНС на этом материале.

2.5. Исследовано влияние легирования в процессе выращивания эпитаксиальных слоев кремния висмутом, галлием, магнием и титаном. Показано, что легирование магнием, титаном и висмутом приводит к

получению материала с электронн�