автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник

На правах рукописи

Богданов Сергей Александрович

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК И МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

Специальность 05.27.01 - «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2007

003060984

Работа выполнена на кафедре физики Технологического института Южного федерального университета в г Таганроге

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Захаров Анатолий Григорьевич (ТТИ ЮФУ, г Таганрог)

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Лаврентьев Анатолий Александрович (ДГТУ, г Ростов-на-Дону)

кандидат технических наук, заведующий конструкторско-технологическим отделением ОАО «Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» Беспятов Василий Васильевич (г Таганрог)

Ведущая организация Кабардино-Балкарский государственный

университет им X М Бербекова

Защита состоится « 30 » августа 2007 г в 14 ч 20 мин на заседании диссертационного совета Д 212 208 23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г Таганроге по адресу 347928, Ростовская обл, г Таганрог, ул Шевченко, 2 ауд Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу 347928, Ростовская обл, г Таганрог, ГСП-17А, пер Некрасовский, 44

Автореферат разослан « 14 » июня 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 208 23 профессор, доктор технических наук

НН Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование влияния электрически активных примесей и их распределений на электрофизические свойства границ раздела диэлектрик-полупроводник МДП-структур и приповерхностных областей контактов металл-полупроводник имеет важную научную и практическую ценность Это обусловлено следующими причинами

При проектировании ИС и полупроводниковых приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник остро стоит проблема контроля и прогнозирования их параметров и характеристик, а также выбора оптимального технологического маршрута их изготовления

Среда, с которой граничит полупроводник, оказывает влияние на электрофизические свойства полупроводниковых структур и приборов на их основе Примером могут служить границы раздела сред полупроводник-диэлектрик и полупроводник-металл Они являются источником зарядовых состояний, которые, в частности, оказывают влияние на распределения потенциалов в областях пространственных зарядов (ОПЗ) структур металл-диэлектрик-полупроводник и метапл-полупроводник Это приводит к изменению электрофизических свойств и характеристик рассматриваемых полупроводниковых структур и приборов, а также влияет на их стабильность и воспроизводимость Помимо этого, электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых структур во многом определяются наличием в полупроводнике дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, а также их пространственным распределением Это затрудняет в некоторых случаях выявление и определение степени влияния фактора, обуславливающего изменения электрофизических свойств и характеристик

Определение основных электрофизических свойств МДП-структур - величин максимальной Стах и минимальной С„„„ емкостей, плотности поверхностных состояний и их распределения по энергии Е, толщины диэлектрика с! и его диэлектрической проницаемости £1, типа проводимости полупроводниковой подложки, концентрации примеси и закона ее распределения в приповерхностной области полупроводника N(x) -наиболее часто осуществляют методом равновесных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) Он заключается в сравнении расчетных (теоретических) ВФХ идеальных МДП-структур с соответствующими экспериментальными Как правило, при расчете теоретических ВФХ не учитываются электрически активные дефекты, возникающие вследствие технологических операций (диффузии, высокотемпературного окисления, ионной имплантации и т д) и формирующие в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни (ГУ), их пространственное распределение, а также перераспределение атомов легирующих примесей в результате таких операций Это приводит к дополнительным погрешностям при определении электрофизических свойств МДП-структур

Учет влияния электрически активных примесей и их пространственного распределения на форму потенциального барьера ОПЗ полупроводниковых структур позволит оценить корректность выбора теории переноса заряда при моделировании ВАХ структур металл-полупроводник, повысить достоверность определения свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах, а также прогнозировать электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых приборов, формируемых на основе этих структур

Таким образом, разработка модели для исследования влияния глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства МДП-структур и контактов металл-

полупроводник является актуальной задачей

Целью работы является исследование влияния электрически активных примесей и их распределения на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и Металл-диэлектрик-полупроводник Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач

- разработать математическую модель распределения потенциала, позволяющую учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник,

- выполнить модернизацию автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур и провести на ее основе экспериментальные исследования методами динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней (ДСГУ) и! вольт-фарадных характеристик,

- показать возможности практического применения разработанных методик на примере прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник

Объекты и методы исследования.

Объектами теоретических исследований являлись структуры металл-полупроводник, металл-диэлектрик-полупроводник, транзистор с металлической базой и поверхностный варикап

Объектами экспериментального исследования являлись МДП-структуры, сформированные на пластинах кремния марки КЭФ-4,5, с толщиной термически' выращенного окисла 230 нм Пластины кремния для МДП-структур первой партии были обработаны с рабочей стороны электроискровым разрядом никелевым электродом Для| МДП-структур второй партии такая обработка не проводилась

В качестве методов исследования были использованы численные методы решения дифференциальных уравнений, метод динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней, метод равновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик

Научная новизна. >

1 Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник

2 Установлено, что электроискровая обработка кремния п-типа проводимости никелевым электродом приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с

энергиями ионизации Ес -Еа = 0,24 эВ, Е( -Еа = 0,34 эВ, Ес-Е,3=0,40 эВ, Ес - Ен = 0,55 эВ

3 Предложена методика прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, с улучшенными значениями отдельных параметров

Практическая значимость.

В диссертационной работе решены важные задачи

- разработаны алгоритмы и программы расчета распределения потенциала и вольт-фарадных характеристик, позволяющие на этапе проектирования элементов ИС исследовать влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-

диэлектрик-полупроводник,

- показана целесообразность применения разработанной модели при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик активных и пассивных элементов ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, в частности транзистора с металлической базой, а также поверхностных варикапов с улучшенными значениями отдельных параметров,

- модернизирована автоматизированная система диагностики полупроводниковых структур (АСДПС), которая обеспечивает определение параметров ГУ (сечение захвата, концентрацию, энергию ионизации), профилей распределения глубокой и мелкой легирующей примесей, электрофизических свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах

Таким образом, разработанная модель может применяться не только для контроля электрофизических параметров МДП-структур, но и для прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник МДП-транзисторы, транзисторы с металлической базой, поверхностные и барьерные варикапы, фотовольтаические элементы, фотоприемники, сенсоры различных физических величин и др

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, непротиворечивостью математических выкладок, применением в экспериментах аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками, хорошим согласием результатов теоретического исследования с результатами экспериментального исследования, а также с известными из литературы экспериментальными данными, практическим использованием результатов работы, подтвержденным соответствующими актами о внедрении

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при проведении ряда научно-иследовательских работ, проводимых в НИЛ «Мезоструктура», - «Разработка физических основ перспективных элементов твердотельной электроники на основе гетерогенных наноструктур» (№ гос регистрации 01200203301, 2004 г ), «Исследование влияния электрически активных дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур» (№ гос регистрации 01200505537, 2005 г), «Разработка модели функционирования транзистора на основе наноразмерной структуры полупроводник-металл-полупроводник» (№ гос регистрации 01200604342, 2006 г), а также при выполнении научно-исследовательской работы «Влияние электрически активных примесей и их распределения на свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник» ведомственной научной программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы» по разделу «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» (код проекта 15330)

Кроме того, результаты диссертационной работы используются при разработке сенсорных элементов на основе карбида кремния с неравномерным распределением легирующей примеси и целенаправленно сформированными глубокими энергетическими уровнями в НИИ МВС (г Таганрог), при отработке технологических процессов изготовления фотоэлектронных устройств на основе пластин кремния с контролируемой плотностью поверхностных состояний в ООО «Завод Кристалл» (г Таганрог), а также в учебном процессе кафедры физики ТТИ ЮФУ при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Физические осно.вы микроэлектроники» и «Физические основы электроники», что подтверждено соответствующими актами

Апробация диссертационной работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на

следующих научно-технических конференциях

- «Математические модели физических процессов» (X и XI Международные научные конференции, г Таганрог, 2004 г и 2005 г),

- «Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (III и IV Международные научные конференции, г Ульяновск, 2005 г и 2006 г),

- «Современный физический практикум» (IX Международная конференция, г Волгоград, 2006 г),

«Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» 1 (X Международная научная конференция, с Дивноморское, 2006 г), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ (2005 -2007 гг)

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрйчески активных примесей в полупроводнике на форму потенциального барьера ОПЗ и! ВФХ структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, основанная на численном решении уравнения Пуассона,

- акцепторные ГУ в кремнии n-типа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера t//(0) = структуры металл-полупроводник на величину

«40-60 мВ,

- существенное влияние в кремнии акцепторные ГУ с энергетическим положением Ес - Еш ~ 0,2 эВ могут оказывать при температурах Т < 150 К, с Ес - Еш = 0,35 эВ при Т < 240 К, с Ес - Е,а - 0,5 эВ при Т < 120 К,

- ВФХ МДП-структур на основе электронного кремния при наличии в полупроводнике акцепторных ГУ отличаются меньшими по абсолютной величине значениями напряжений инверсии, коэффициентов перекрытия, возможным появлением участков с отрицательной дифференциальной емкостью,

- разработанные в результате модернизации АСДПС блоки аппаратуры -устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры, блок сопряжения и контроля, блок напряжения смещения - позволяют расширить функциональные возможности АСДПС, а также повысить оперативность определения электрофизических свойств полупроводниковых структур и параметров ГУ,

- _ электроискровая обработка кремния n-типа никелевым электродом приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации

Ес -Е,j = 0,24 эВ, Ес- Е,2 = 0,34 эВ, Ес - Et3 = 0,40 эВ, Ес - Е,А = 0,55 эВ,

- разработанная модель позволяет прогнозировать электрофизические свойства и характеристики отдельных полупроводниковых приборов и ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из них 5 работ в журналах перечня ВАК В ВНИИТЦ зарегистрировано четыре |отчета по НИР

Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследования выполнены д т н, профессором А Г Захаровым Разработка модели, позволяющей учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-

полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, разработка блоков измерительной аппаратуры, проведение экспериментальных и теоретических исследований осуществлены и получены лично автором или при его непосредственном участии Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений Содержание диссертации изложено на 186 страницах, включая 51 рисунок, 12 таблиц, список литературы из 93 наименований, приложения, размещенные на десяти страницах

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены объекты и методы исследования, приведены сведения о научной новизне, достоверности, обоснованности, практической значимости и внедрении результатов работы Кроме того, во введении представлены сведения об апробации диссертационной работы, определены положения и результаты, выносимые на защиту, приведены сведения о публикациях и личном вкладе автора, а также дан краткий обзор содержания диссертации

В первой главе сделан литературный обзор по теме диссертации В ней рассмотрено влияние дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, на электрофизические свойства полупроводниковых структур Приведены результаты исследований влияния глубоких энергетических уровней, обусловленных дефектами кристаллической решетки полупроводника, и особенностей распределений примесей на свойства полупроводниковых структур Отмечено, что учет глубоких энергетических уровней (ГУ) и неравномерного распределения примесей при моделировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых структур позволит повысить достоверность их прогнозирования Проведен анализ существующих моделей, учитывающих влияние электрически активных примесей и их распределений на свойства полупроводниковых структур На основе проведенного анализа и обзора литературы выбрано направление и осуществлена постановка задачи диссертационного исследования

Вторая глава посвящена моделированию распределений потенциалов в областях пространственных зарядов полупроводниковых структур В ней приведены соотношения и разработана модель, позволяющая на основе численного решения уравнения Пуассона рассчитывать распределения потенциала и вольт-фарадные характеристики структур металл-полупроводник и металл-диэлектик-полупроводник при наличии в полупроводниковом материале глубоких энергетических уровней, а также неравномерном распределении примесей Рассматривалось уравнение Пуассона

с граничными условиями 1//(0) = ц/5 , (//(IV) = 0 Здесь ц/ = Ц/(х) - распределение потенциала в области пространственного заряда полупроводника, - величина электростатического потенциала на поверхности полупроводника, IV - ширина ОПЗ, е0 -электрическая постоянная вакуума, 8 - диэлектрическая постоянная полупроводника, р(х,1//) - объемная плотность заряда ОПЗ, в которой - величина заряда электрона, р(ц/), п(у/~) — концентрации свободных носителей заряда в ОПЗ полупроводника,

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Р(х,V), р(х,(//) = д\р{*у) - п(ц/) + N5 (х,у/) (х,у/))

М^{х,ц/~) - концентрация ионизированных атомов «мелкой» донорной примеси, - концентрация ионизированных атомов «глубокой» акцепторной примеси

Концентрации свободных носителей заряда в ОПЗ и ионизированных атомов «мелкой» донорной примеси определялись согласно статистике Ферми-Дурака Концентрация ионизированных атомов «глубокой» акцепторной примеси рассчитывалась исходя из модели Шокли-Рида-Холла Кроме того, в расчетах учитывалось изменение ширины запрещенной зоны кремния от температуры

Решение уравнения Пуассона осуществлялось численно многосеточным конечно-разностным методом В качестве первой сетки использовалась сетка с достаточно малым числом интервалов (большим шагом), остальные сетки получали из нее последовательным

сгущением вдвое При этом шаг исходной сетки определялся выражением г = 2А гтш , где А - количество дополнительных сеток, применяемых при решении уравнения Пуассона, гтт - сетка с наименьшим шагом из всех применяемых, на которой будет получено результирующее решение Разностное решение уравнения Пуассона, полученное для сетки с большим шагом, интерполировалось на следующую сетку и использовалось на ней в качестве нулевого приближения Погрешность решения уравнения Пуассона оценивалась по правилу Рунге В результате проведенного анализа сходимости решения разностной задачи к решению дифференциальной при определении распределения потенциала рассмотренным методом использовалось А = 9 дополнительных сеток с шагом минимальной сетки гтп = 0,1 нм,

требование к погрешности решения Е, < 1 мкВ

С помощью разработанной модели, на примере кремния с Л^ = 1015 см'3 |было проведено исследование влияния ГУ на распределения потенциалов в структурах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Показано, что акцепторные ГУ при изменении концентрации от нуля до N ш < 0,9 А/^ могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера структуры металл-полупроводник на величину

| | =40-60 мВ, а также уменьшению поверхностного потенциала, соответствующего

образованию инверсионного слоя в МДП-структурах, на величину | Д у/^ | =80-120 мВ Кроме того, установлено, что существенное влияние на форму потенциального барьера акцепторные ГУ в кремнии с Е( - Е,а = 0,2 эВ могут оказывать при температурах Т < 150 К, с Ес-Еш =0,35 эВ при ^<240 К, с Ес -Еш =0,5 эВ при Т< 320 К В рассматриваемых случаях ширина ОПЗ могла быть увеличена более чем в три раза за счет введения в полупроводник акцепторных ГУ Анализ полученных результатов моделирования

показал, что ГУ начинают оказывать существенное влияние на IV, (¿/(х) лишь при концентрациях одного порядка с концентрацией основной легирующей примеси Наибольшее влияние на распределение потенциала акцепторные ГУ оказывают при температурах ниже температуры активации, причем влияние тем больше, чем больше концентрация ГУ Область температур, в которой проявляют себя ГУ, непосредственно связана с их энергетическим положением Е{

Распределения потенциала в структуре на примере примеси фосфора в

кремнии ( =1 1015 см'3) при температуре Т = 100 К приведены на рис 1

1 - в отсутствии ГУ,

2 - при наличии акцепторного ГУ

с Ес-Еш= 0,5 эВ, И(а

5 1014 см'3

Рис I

На основе разработанной модели были также рассчитаны ВФХ МДП-структур при различных законах распределения легирующеи примеси и наличии в полупроводниковой подложке ГУ При этом полная емкость МДП-структуры С определялась из выражения С = С,С^с /(С, +СЖ ), где С,- емкость диэлектрика, =9(2^ ¡ац/^ - емкость области пространственного

¡V

&г = ¡Р(х,у/)сЬс.

о

Семейство нормированных квазистатических ВФХ МДП-структур с толщиной диэлектрика 8Ю2 100 нм

заряда, величина которого рассчитывалась как

16

см 3)

концентраций ( Е, = 0,5 эВ)

для различных акцепторных ГУ при температуре

06

Т = 300 К представлено на рис 2

Показано, что ВФХ МДП-структур при наличии в полупроводнике ГУ имеют следующие особенности сильная инверсия достигается при меньших напряжениях на полевом электроде, так как акцепторные ГУ уменьшают концентрацию свободных носителей в объеме полупроводника, наблюдается участок с отрицательной

дифференциальной емкостью

Рассмотрено влияние различных законов распределения примеси на ВФХ МДП-структур На рис 3 в качестве примера представлены расчетные ВФХ МДП-структур,

-1 5

иа,в Рис 2

соответствующие изменению концентрации примеси по закону Гаусса (см. закон 2 табл. 11 при О -- 0.09 икКл/ем"! Щ = 1013 см"3, = 30 им. Т - 300 К.

Таблица 1

Виды распределений основной легирующей примеси

щх) = щ я) Щ = 1013 см'3 г>) Д'о =1015 см4 Д'о =10*7 см'3

/ 2 \ \г/ \ х, ® (Х~Яр) 2) д^(л-) = Л'о +--/=ехр .--Ь-Ц~ , (¡■АЯрт]2я { 2-АЯр ; при см'\ 0 = 0,25 мкКл/смг, «=50 нм, ЛЛР=30 нм

3), при 0 < x < н х > Н Ы(х)=Но Р — 0,8 нм'1, Н = 512 нм а) Ы0 = \ О13 см'1 б) ,\!0 =1015 см"'

1 - КР = 25 нм; 2 - Яр =50 нм; 3 ■ Яр = 100 им; 4- Яр =250 нм.

Рис. 3 I

Установлено, что наибольшее влияние на ВФХ МД1 [-структур оказывают изменения | концентрации примеси непосредственно в пределах ОПЗ. Ширина ОГО IV зависит о- | особенностей распределения примеси и определяет минимальную емкость ВФХ МДГГ структур. Кроме того, изменяя целенаправленно затон легирования атомов примеси к полупроводнике, можно в Определенных пределах управляемо прогнозировать как напряжение плоских зон, так и напряжение инверсии.

Применение разработанной модели позволяет оценить корректность выбора соответствующей теории переноса заряда в структурах метал л-полупровод пик, а также по-

иысить достоверность определения электрофизических параметров границы раздела ди-э лею ри к-полу про водник в МДП-етруктурах.

Тпетья глава посвящена исследованию влияния дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур (ITC). В ней рассматриваются методы контроля параметров ГУ, а также поверхностных состояний - метод динамической спектроскопии ГУ и метод вольт-фарадных характеристик. Описано техническое обеспечение, позволяющее реализацию этих методов. Произведена модернизация автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур:

- разработано устройство определения температурь! ПС, позволяющее обрабатывать и передавать в ЭВМ типа IBM PC сигнал, пропорциональный температуре исследуемой ПС, разрешающая способность которого составляет величину порядка 0,1 °С в широком диапазоне температур от минус 200 °С до плюс 500 °С;

- разработан блок сопряжения и контроля, позволяющий осуществлять сопряжение ЭВМ с измерительной аппаратурой по каналу общего пользования (КОП, аналог интерфейса IEEE-488) на скорости до 1 Мбайт/с:

- разработан блок напряжения смешения, позволяющий задавать при помощи ЭВМ напряжение смешения на исследуемой Г1С в диапазоне от минус 100 В до плюс 100 В с шагом 1 мВ. контролировать ток утечки ПС и возможность измерять её ВАХ.

С целыо апробации АСДПС и разработанной модели проведено экспериментальное исследование МД11-структур, сформированных на пластинах кремния, обработанных электроискровым разрядом никелевым электродом, в результате которого было выявлено четыре акцепторных Г'У. ДСГУ-спектр приведен на рис. 4.

Д С,пФ

Полученные значения энергий ионизации ( Ес - = 0,24 эВ, Ес - Еа = 0,34 э£, Ес - Еп = 0,40 эВ, Ес - Ен = 0,55 эВ) обусловлены

комплексами дефектов с участием атомов никеля, а также близки к известным из литературы параметрам ГУ, обусловленных наличием в кремнии дислокаций Кроме того1, были рассчитаны зависимости плотности поверхностных состояний от величины поверхностного потенциала для рассмотренных МДП-структур на основе классической модели, не учитывающей влияния ГУ, и при помощи разработанной в диссертационной работе модели учитывающей влияние ГУ на ВФХ МДП-структур

На рис 5 приведена зависимость плотности поверхностных состояний от величины поверхностного потенциала 1 1 -для МДП-структуры без электроискровой обработки, 2, 3 - для МДП-структуры, сформированной на кремнии, обработанном электроискровым разрядом никелевым электродом (2 - модель не учитывает ГУ, 3 -модель учитывает ГУ)

Полученные экспериментальные

, результаты подтверждают работоспособность У, АСДПС и разработанной модели

В четвертой главе рассматривается применение разработанной модели и ¡аппаратуры при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур 0^5металл-полупроводник и металл-диэлЬктрик-полупроводник

С учетом ряда приближений проведено

ю'Ч;

03 -025 -0 2 015 0 1 005

Рис 5

моделирование распределения потенциала в ОПЗ эмиттера и коллектора транзистора с металлической базой (ЗЮ-Сг-БЮ) на основе ЗС, 15Я, 4Н политипов карбида кремния для случаев различного распределения легирующей примеси (табл 1)

На основе анализа результатов моделирования (табл 2) установлено, что в полупроводнике коллекторной области целесообразно реализовать равномерное распределение основной легирующей примеси с наибольшей концентрацией, допускающей формирование барьера Шоттки, в полупроводнике эмиттерной области целесообразно формировать распределение примеси в соответствии с законом Гаусса, необходимо учитывать влияние ГУ на характеристики эмиттерного и коллекторного барьеров, в том числе их зарядовые состояния и распределения, определяемые коэффициентами диффузии атомов металла в полупроводнике

Корректность полученных выводов подтверждена результатами моделирования коэффициентов прозрачности для рассчитанных распределений потенциала эмиттерного! и коллекторного барьеров ТМБ с использованием численного решения уравнения Шредингера

Исследовано влияние квантово-механических эффектов, обусловленных движением электронов в потенциальном поле структуры полупроводник-металл-полупроводник (ПМП), на коэффициент передачи ТМБ Показано, что необходимо учитывать многократное отражение (переотражение) носителей заряда от стенок потенциального барьера квантовой ямы базы, так как доля инжектированных эмиттером электронов, протуннелировавших сквозь потенциальный барьер, образованный ОПЗ коллектора ТМБ, может достигать величины порядка 10%, туннелированием «фермиевских» электронов из металла базы ((.£„ - Ер) ~кТ) в область коллектора можно пренебречь, существенное влияние на

Таблица 2

Параметры барьера Шоттки БКЗ-Сг

ВД Высота барьера со стороны полупроводника 1//(0), В Ширина ОПЗ IV , нм (Ес - Ер ) в нейтральной области полупроводника, эВ

политип политип политип

ЗС 15Д 4 Я 3 С 157? 4 Н ЗС 15Я АН

1а 0 108 от 1 134 5220 10261 11911 0 392 0 377 0 366

16 0 227 0 892 1 253 668 1086 1239 0 273 0 258 0 247

1в 0 346 I 011 1 372 77 114 128 0 154 0 139 0128

2 0 108 0 773 1 134 43 78 98 0 392 0 377 0 366

За 0 108 0 773 1 134 5254 10276 11907 0 392 0 377 0 366

36 0 227 0 892 1 253 833 1182 1322 0 273 0 258 0 247

коэффициент передачи ТМБ оказывают интерференционные эффекты, обусловленные прохождением частиц над потенциальной ямой, соответствующей области металлической базы, которые приводят к его квазипериодической осцилляции и могут быть использованы для получения заданных электрофизических свойств Рассчитанные распределения потенциала в ОПЗ эмиттера и коллектора ТМБ позволяют прогнозировать наиболее вероятный механизм переноса носителей заряда в этой структуре для моделирования ВАХ транзистора с металлической базой

Приведены соотношения, позволяющие прогнозировать параметры полупроводниковых приборов, сформированных на основе МДП-структур Анализ результатов прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов на основе МДП-структур с помощью разработанной модели показал, что электрофизические свойства МДП-структур - емкость диэлектрика С, и объемного заряда , величина объемного заряда 0,$с и объемного потенциала ц/ % , а также напряжения плоских зон Vрц позволяют прогнозировать величину порогового напряжения, размах и крутизну_ МДП-транзистора, коэффициенты нелинейности и перекрытия, а также величину добротности МДП-варикапов, целенаправленное введение в полупроводник примесей, создающих в запрещенной зоне ГУ, позволит получить МДП-варикапы, имеющие особенности ВФХ вида «ступенька», «колокол», «волна» и др (рис 6 - 8), увеличение добротности МДП-варикапа может быть достигнуто путем уменьшения удельного сопротивления полупроводникового материала за счет его неоднородного легирования по заданному закону

Таким обратом, такие МДП-сгруктуры можно использовать при проектировании варикапов, применяемых в составе перестраиваемых частотных фильтров.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.

В приложенинх приводятся описание и схемы электрические принципиальные разработанных блоков автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур.

Рис. 8

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Рассмотрено влияние глубоких энергетических уровней и неравномерного распределения электрически активных примесей на электрофизические свойства полупроводниковых структур. Показана целесообразность учета этих факторов на распределения потенциалов, а также вольт-фарадные характеристики структур металл-полупроводник и металл-ди электрик-полу проводник,

2. Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние ГУ и неравномерного распределения примесей па электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

3. Проведено теоретическое исследование влияния ГУ и неравномерного распределения электрически активных примесей на распределения потенциалов в структурах металл- полуприводим к и метал л-диэлектрик-полу про в одни к. а также вольт-фарадные характеристики МДГ ¡-структур. Установлено, что акцепторные ГУ в кремнии п-тцпа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера у/(0) =

структуры металл-полупроводник на величину Д\j/s ж40^60 мВ; существенное влияние

акцепторные ГУ с энергетическим положением -£í¡(=0,2 эВ могут оказывать при

температурах Т < ! 50 К, с Ес - Еш - 0,35 эВ при Т < 240 К, с Ес - Еш = 0,5 эВ при

Т £320 К; ВФХ МДП-структур при наличии в полупроводнике акцепторных ГУ отличаются меньшими по абсолютной величине значениями напряжений инверсии, коэффициентов перекрытия, возможным появлением участков с отрицательной дифференциальной емкостью.

4. С целью проведении экспериментального исследования произведена модернизация автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур, в ходе которой разработаны устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры, блок сопряжения и контроля, блок напряжения смещения, позволяющие расширить функциональные возможности АСДПС. а также повысить оперативность определения электрофизических свойств полупроводниковых структур и параметров ГУ.

5. Установлено, что при обработке пластин кремния электроискровым разрядом никелевым электродом, в его запрещенной зоне формируются акцепторные ГУ. Полученные

значения энергий ионизации { Er - E¡\ — 0,24 эВ , Er — E¡2 — 0,34 эВ,

Ес - Е^ = 0,40 эВ, Е(2 - Е14 = 0,55 эВ) обусловлены комплексами дефектов с участием атомов никеля, а также близки к известным из литературы параметрам ГУ, обусловленных наличием в кремнии дислокаций

6 Рассчитаны зависимости плотности поверхностных состояний от величины поверхностного потенциала для рассмотренных МДП-структур с учетом наличия ГУ Показано, что их учет повышает достоверность определения плотности поверхностных состояний

7 Рассмотрены возможности применения разработанной модели при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник на примерах транзистора с металлической базой и поверхностного варикапа

8 Исследовано влияние квантово-механических эффектов, обусловленных движением электронов в потенциальном поле структуры полупроводник-металл-полупроводник, на коэффициент передачи ТМБ Установлено, что существенное влияние на коэффициент передачи ТМБ оказывают интерференционные эффекты, обусловленные прохождением частиц над потенциальной ямой, соответствующей области металлической базы, которые приводят к его квазипериодической осцилляции и могут быть использованы для получения заданных электрофизических свойств

9 Показано, что применение разработанной модели позволяет уточнить выбор соответствующей теории переноса заряда в структурах металл-полупроводник, а также повысить достоверность определения электрофизических параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах

Таким образом, полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологических режимов формирования активных элементов ИС, уточнения электрофизических свойств полупроводниковых приборов, а также физического моделирования характеристик перспективных активных элементов сверхскоростных ИС на этапе их проектирования

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Захаров А Г, Богданов С А Вольт-фарадные характеристики МДП-структур с учетом однозарядного глубокого энергетического уровня // Известия вузов Северо-Кавказский регион 2007 №5 С 21-27

2 Захаров А Г , Котов В Н , Богданов С А Моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки транзистора с металлической базой // Нано- и микросистемная техника 2007 № 4 С 45-47

3 Богданов С А, Варзарев Ю Н , Набоков Г М Автоматизированная система измерения параметров глубоких уровней в полупроводниковых структурах // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники Труды 8-й Международной научно-технической конференции Часть 1 - Таганрог 2002 - С 88-89

4 Захаров А Г , Филипенко Н А, Богданов С А Моделирование влияния электрически активных примесей на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Математические модели физических процессов Сб научных трудов 10-й Международной научной конференции - Таганрог, 2004 - С 121-124

5 Захаров А Г , Филипенко Н А, Богданов С А Термоэлектрическая эффективность дислокационного электронно-дырочного перехода // Математические модели физических процессов Сб научных трудов 11-й Международной научной конференции - Таганрог, 2005 -С 125-127

6 Захаров А Г, Богданов С А, Набоков Г М Автоматизированный комплекс для | диагностики МДП-структур // Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы ! Труды 3-й международной конференции - Ульяновск, 2005 - С 70

7 Захаров А Г, Богданов С А Влияние электрически активных примесей и их распределения на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники Труды 10-й Международной научной конференции - Таганрог, 2006 - С 93-95

8 Захаров А Г, Богданов С А Моделирование влияния глубоких энергетических уровней на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы Труды IV Международной конференции - Ульяновск, 2006 -С 118

9 Захаров А Г, Филипенко Н А, Богданов С А Исследование свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структуре с глубокими энергетическими уровнями // Труды IX Международной конференции «Современный физический практикум» Волгоград,-2006 -С 128-129

10 Захаров А Г , Колпачев А Б , Богданов С А Концепция модели функционирования транзистора с проводящей базой нанометрических размеров // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники Труды 10-й Международной научной конференции -Таганрог -2006 -С 40-42

11 Захаров А Г , Богданов С А , Варзарев Ю Н , Набоков Г М Устройство для определения температуры полупроводниковой структуры при измерении параметров глубоких энергетических уровней//Известия ТРТУ - Таганрог, 2004 №8(43) -С 214-215

12 Захаров А Г, Богданов С А Моделирование распределения потенциала в приповерхностной области полупроводника с глубокими уровнями // Известия ТРТУ - Таганрог, 2005 №9 - С 217-222

13 Захаров А Г , Богданов С А Моделирование вольт-фарадных характеристик МДП-структур с неоднородным распределением основной легирующей примеси// Известия ТРТУ -Таганрог ТРТУ, 2006 №9 - С 57-61

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем [1, 7 - 9, 12, 13] проведено моделирование и исследование влияния глубоких энергетических уровней и неравномерного распределения электрически активных примесей на электрофизические свойства и характеристики рассматриваемых в работах полупроводниковых структур, [2] выполнено моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки транзистора с металлической базой (ТМБ) для различных законов распределения легирующей примеси, [3] разработано программное обеспечение обработки экспериментальных данных с целью расчета параметров ГУ, а также определения электрофизических свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник [4] предложен метод моделирования влияния электрически активных примесей на вольт-фарадные характеристики МДП-структур, [5] произведена оценка величины термоэлектрической эффективности дислокационного электронно-дырочного перехода, [6] предложена структурная схема автоматизированного комплекса для диагностики МДП-структур, [10] предложена концепция построения модели ТМБ нанометрических размеров, [11] разработано устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры

Типография Технологического института Южного федерального университета в г Таганроге

Зак №¿¡34 Тираж 110 экз

Введение.:.

1 Влияние дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, на электрофизические свойства полупроводниковых структур.

1.1 Влияние глубоких уровней, обусловленных дефектами кристаллической решетки полупроводника, на свойства полупроводниковых структур.

1.2 Влияние особенностей распределений примесей на свойства полупроводниковых структур.

1.3 Анализ моделей, учитывающих влияние электрически активных примесей и их распределений на свойства полупроводниковых структур.

1.4 Выводы и постановка задачи исследования.

2 Моделирование распределений потенциалов в областях пространственных зарядов полупроводниковых структур.

2.1 Разработка модели для определения распределения потенциала в области пространственного заряда полупроводниковой структуры.

2.2 Исследование влияния глубоких энергетических уровней на распределение потенциала в структуре металл-полупроводник.

2.3 Исследование распределения потенциала в структуре металл-диэлектрикполупроводник.

2.4 Результаты моделирования и выводы.

3 Экспериментальное исследование влияния дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур.

3.1 Методическое обеспечение автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур.

3.2 Модернизация автоматизированной системы 'диагностики полупроводниковых структур.

3.3 Результаты экспериментального исследования параметров глубоких энергетических уровней и плотности поверхностных состояний в МДП-структурах.

3.4 Выводы.

4 Применение разработанной модели и аппаратуры при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов.

4.1 Прогнозирование электрофизических свойств и характеристик транзистора с металлической базой.

4.2 Прогнозирование электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов на основе МДП-структур.

4.3 Выводы.

Актуальность темы. Исследование влияния электрически активных примесей и их распределений на электрофизические свойства границ раздела диэлектрик-полупроводник МДП-структур и приповерхностных областей контактов металл-полупроводник имеет важную научную и практическую ценность. Это обусловлено следующими причинами.

При проектировании ИС и полупроводниковых приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник остро стоит проблема контроля и прогнозирования их параметров и характеристик, а также выбора оптимального технологического маршрута их изготовления.

Среда, с которой граничит полупроводник, оказывает влияние на электрофизические свойства полупроводниковых структур и приборов на их основе. Примером могут служить границы раздела сред полупроводник-диэлектрик и полупроводник-металл. Они являются источником зарядовых состояний, которые, в частности, оказывают влияние на распределения потенциалов в областях пространственных зарядов (ОПЗ) структур металл-диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник. Это приводит к изменению электрофизических свойств и характеристик, рассматриваемых полупроводниковых структур и приборов, а также влияет на их стабильность и воспроизводимость. Помимо этого, электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых структур во многом определяются наличием в полупроводнике дефектов, обусловленных электрически активными примесями и несовершенством кристаллического строения, а также их пространственным распределением. Это затрудняет в некоторых случаях выявление и определение степени влияния фактора, обуславливающего изменения электрофизических свойств и характеристик.

Определение основных электрофизических свойств МДП-структур -величин максимальной Стах и минимальной Ст-т емкостей, плотности поверхностных состояний Nss и их распределения по энергии Е, толщины диэлектрика d и его диэлектрической проницаемости е', типа проводимости полупроводниковой подложки, концентрация примеси и закона ее распределения в приповерхностной области полупроводника - наиболее часто осуществляют методом равновесных вольт-фарадных характеристик

V (ВФХ). Он заключается в сравнении расчетных (теоретических) ВФХ идеальных МДП-структур с соответствующими экспериментальными. Как правило, при расчете теоретических ВФХ не учитываются электрически активные дефекты, возникающие вследствие технологических операций (диффузии, высокотемпературном окислении, ионной имплантации и т.д.) и формирующие в запрещенной зоне полупроводника глубокие энергетические уровни (ГУ), их пространственное распределение, а также перераспределение атомов легирующих примесей в результате таких операций. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении электрофизических свойств МДП-структур.

• Учет влияния электрически активных примесей и их пространственного распределения на форму потенциального барьера ОПЗ полупроводниковых структур позволит оценить корректность выбора теории переноса заряда при моделировании ВАХ структур металл-полупроводник, повысить достоверность определения свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах, а также прогнозировать электрофизические свойства и характеристики полупроводниковых приборов, формируемых на основе этих структур.

Таким образом, разработка модели для исследования влияния глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства МДП-структур и контактов металл-полупроводник, является актуальной задачей.

Целью работы является исследование влияния электрически активных примесей и их распределения на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- разработать математическую модель распределения потенциала, позволяющую учитывать влияние глубоких энергетических уровней и щ пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник;

- выполнить модернизацию автоматизированной системы диагностики полупроводниковых структур и провести на ее основе экспериментальные исследования методами динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней (ДСГУ) и вольт-фарадных характеристик;

- показать возможности практического применения разработанных методик на примере прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе

• структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

Объекты и методы исследования. Объектами теоретических исследований являлись структуры металл-полупроводник, металл-диэлектрик-полупроводник, транзистор с металлической базой и поверхностный варикап.

Объектами экспериментального исследования являлись МДП-структуры, сформированные на пластинах кремния марки КЭФ-4,5, с толщиной термически выращенного окисла 230 нм. Пластины кремния для МДП-структур первой партии были обработаны с рабочей стороны электроискровым разрядом никелевым электродом. Для МДП-структур второй партии такая обработка не проводилась.

• В качестве методов исследования были использованы: численные методы решения дифференциальных уравнений, метод динамической спектроскопии глубоких энергетических уровней; метод равновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

2. Установлено, что электроискровая обработка кремния п-типа проводимости никелевым электродом, приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации Ес-Е,, =0,24 эВ,

Ес -Ел = 0,34 эВ, Ес-Ел = 0,40 эВ, Ес-£,4 = 0,55 эВ.

3. Предложена методика прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, с улучшенными значениями отдельных параметров.

Практическая значимость. В диссертационной работе решены важные задачи:

- разработаны алгоритмы и программы расчета распределения потенциала и вольт-фарадных характеристик, позволяющие на этапе проектирования элементов ИС исследовать влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник;

- показана целесообразность применения разработанной модели при прогнозировании электрофизических свойств и характеристик активных и пассивных элементов ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, в частнрсти, транзистора с металлической базой, а также поверхностных варикапов с улучшенными значениями отдельных параметров;

- модернизирована автоматизированная система диагностики полупроводниковых структур (АСДПС), которая обеспечивает определение параметров ГУ (сечение захвата, концентрацию, энергию ионизации), профилей распределения глубокой и мелкой легирующей примесей, электрофизических свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структурах.

Таким образом, разработанная модель может применяться не только для контроля электрофизических параметров МДП-структур, но и для прогнозирования электрофизических свойств и характеристик полупроводниковых приборов, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник: МДП-транзисторы; транзисторы с металлической базой; поверхностные и барьерные варикапы; фотовольтаические элементы; фотоприемники; сенсоры различных физических величин и др.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается полнотой и корректностью исходны* посылок, непротиворечивостью математических выкладок, применением в экспериментах аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками, хорошим согласием результатов теоретического исследования с результатами экспериментального исследования, а также с известными из литературы экспериментальными данными, практическим использованием результатов работы, подтвержденным соответствующими актами о внедрении.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при проведении ряда научно-иследовательских работ проводимых в НИЛ «Мезоструктура» - «Разработка физических основ перспективных элементов твердотельной электроники на основе гетерогенных наноструктур» (№ гос. регистрации 01200203301, 2004 г.), «Исследование влияния электрически активных дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур» (№ гос. регистрации 01200505537, 2005 г.), «Разработка модели функционирования транзистора на основе наноразмерной структуры полупроводник-металл-полупроводник» (№ гос. регистрации 01200604342, 2006 г), - а также при выполнении научно-исследовательской работы «Влияние электрически активных примесей и их распределения на свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник» ведомственной научной программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы» по разделу Л «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» (код проекта 15330).

Кроме того, результаты диссертационной работы используются при разработке сенсорных элементов на основе карбида кремния с неравномерным распределением легирующей примеси и целенаправленно сформированными глубокими энергетическими уровнями в НИИ МВС (г. Таганрог); при отработке технологических процессов изготовления фотоэлектронных устройств на основе пластин кремния с контролируемой плотностью поверхностных состояний в ООО «Завод Кристалл» (г. Таганрог), а также в учебном процессе кафедры физики ТИ ЮФУ в г. fc Таганроге при проведении лабораторных работ по дисциплинам:

Физические основы микроэлектроники» и «Физические основы электроники», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно технических конференциях:

- «Математические модели физических процессов» (X и XI Международные научные конференции, г. Таганрог, 2004 г. и 2005 г.);

- «Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (III и IV Международные научные конференции, г. Ульяновск, 2005 г. и 2006 г.);

- «Современный физический практикум» (IX Международная * конференция, г. Волгоград, 2006 г.);

- «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (X Международная научная конференция, с. Дивноморское, 2006 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТИ ЮФУ в г. Таганроге (2005 -2007 г.)

Основные положения и результаты, выносимые на защиту;

- математическая модель, позволяющая учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных примесей в полупроводнике на форму потенциального барьера ОПЗ и ВФХ структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, основанная на численном решении уравнения Пуассона;

- акцепторные ГУ в кремнии n-типа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера y/(0) = y/s структуры металл-полупроводник на величину | Дул-1 «40-5-60 мВ;

- существенное влияние в кремнии акцепторные ГУ с энергетическим положением Ес-Еш = 0,2 эВ могут оказывать при температурах Т <150 К, с

Ес - Еш = 0,35 эВ при Т < 240 К, с Ес- Еш = 0,5 эВ при Т < 320 К;

- ВФХ МДП-структур на основе электронного кремния при наличии в полупроводнике акцепторных ГУ отличаются меньшими по абсолютной величине значениями напряжений инверсии, коэффициентов перекрытия, возможным появлением участков с отрицательной дифференциальной емкостью;

- разработанные в результате модернизации АСДПС блоки аппаратуры - устройство определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры, блок сопряжения и контроля, блок напряжения смещения -позволяют расширить функциональные возможности АСДПС, а также повысить оперативность определения электрофизических свойств полупроводниковых структур и параметров ГУ;

- электроискровая обработка кремния n-типа никелевым электродом, приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации Ес - Еп = 0,24 эВ, Ес - Еп = 0,34 эВ, Ес - Е1} = 0,40 эВ, с-£,4 =0,55 эВ;

- разработанная модель позволяет прогнозировать электрофизические свойства и характеристики отдельных полупроводниковых приборов и ИС, формируемых на основе структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из них 5 работ в журналах перечня ВАК. В ВНИИТЦ зарегистрировано четыре отчета по НИР.

Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследования выполнены д.т.н., профессором Захаровым А.Г. Разработка модели, позволяющей учитывать влияние глубоких энергетических уровней и пространственного распределения электрически активных - примесей в полупроводнике на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, разработка блоков измерительной аппаратуры, проведение экспериментальных и теоретических исследований осуществлены и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Содержание диссертации изложено на 186 страницах, включая 51 рисунок, 12 таблиц, список литературы из 93 наименований, приложения, размещенные на десяти страницах.

Результаты работы использованы при проведении ряда научно-иследовательских работ проводимых в НИЛ «Мезоструктура» - «Разработка физических основ перспективных элементов твердотельной электроники на основе гетерогенных наноструктур» (№ гос. регистрации 01200203301, 2004 г.), «Исследование влияния электрически активных дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур» (№ гос. регистрации 01200505537, 2005 г.), «Разработка модели функционирования транзистора на основе наноразмерной структуры полупроводник-металл-полупроводник» (№ гос. регистрации 01200604342, 2006 г), - а также при выполнении научно-исследовательской работы «Влияние электрически активных примесей и их распределения на свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник» ведомственной научной программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы» по разделу «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» (код проекта 15330).

Кроме того, результаты диссертационной работы используются при разработке сенсорных элементов на основе карбида кремния с неравномерным распределением легирующей примеси и целенаправленно сформированными глубокими энергетическими уровнями в НИИ МВС (г. Таганрог); при отработке технологических процессов изготовления фотоэлектронных устройств на основе пластин кремния с контролируемой плотностью поверхностных состояний в ООО «Завод Кристалл» (г. Таганрог), а также в учебном процессе кафедры физики ТИ ЮФУ в г. Таганроге при проведении лабораторных работ по дисциплинам: «Физические основы микроэлектроники» и «Физические основы электроники», что подтверждено соответствующими актами.

Заключение

В диссертационной работе рассмотрено влияние глубоких энергетических уровней (ГУ) и неравномерного распределения электрически активных примесей на электрофизические свойства полупроводниковых структур. Проведен анализ существующих моделей, учитывающих влияние этих факторов на распределения потенциалов и вольт-фарадные характеристики структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник. Анализ показал целесообразность разработки математической модели, учитывающей влияние ГУ и неравномерного распределения примесей на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, которая позволит повысить достоверность их прогнозирования.

1. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии:Пер. с англ.-М.: Мир, 1984.-475 с.

2. Захаров А.Г. Беспятов В.В. Моделирование дефектов, возникающих в кремнии в процессе формирования полупроводниковых структур, электроискровой обработкой // Активируемые процессы технологии микроэлектроники. Таганрог. 1988. - Вып. 9. - С. 21-28.

3. Вербицкая Е.М., Еремин В.К., Иванов A.M., и др. Генерация радиационных дефектов в высокоомном кремнии при циклическом облучении и отжиге// ФТП. 1997. - Т. 31, № 2. - С. 235-240.

4. Казакевич JI.A., Лугаков П.Ф. Исследование процессов отжига радиационных дефектов в дислокационном кремнии// Электронная техника. Серия Материалы. 1982. -№ 9 (170). - С. 29-33.4 5 Махкаков LLL, Турсунов С.А., Ашуров М, Саидов Р.ГГ, Мартынченко С.В.

5. Об особенностях образования радиационных дефектов в кремниевых структурах//ЖТФ.- 1999.-Т. 69, № 1. С. 121-123.

6. Феклисова О.В., Ярыкин Н.А., Якимова Е.Б., Вебер Й. Взаимодействие водорода с радиационными дефектами в кремнии р-типа проводимости// ФТП.-2001.-Т. 35, № 12.-С. 1417-1422.

7. Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Соловьев B.C., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионноимплантированном кремнии. М.: Университетское, 1990.-390 с.

8. Lang D. V. Deep level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors// J. Appl. Phys.,-1982.- Vol.№ 7.- P.3023-3032.

9. Милне А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.: Мир, 1977.-562 с.

10. Вербицкая Е.М., Еремин В.К., Иванов A.M., Строкан Н.Б. Особенности генерационных токов в облученных а-частицами р+-п-переходах из высокоомного кремния// ФТП. 1993. - Т. 27, № 2. - С. 205-213.

11. Богач Н.В., Литвиненко В.Н, Марончук И.Е. Экстремальный характер изменения обратного тока кремниевых р+-п структур в процессе формирования омических никелевых контактов// Письма в ЖТФ. 1998. -Т. 24,№ 12.-С. 1-5.

12. Владимирова Е.В., Гусятников В.Н., Журавлев К.А., Иванченко В.А., Павлов В.Г. Влияние глубоких уровней на эффекты поля в гомогенных периодических полупроводниковых структурах на основе кремния// ФТП. 1993. - Т. 27, № 8. - С. 1400 - 1402.

13. Шикин В.Б., Шикина Ю.В. Заряженные дислокации в полупроводниковых кристаллах// Успехи физических наук. 1995. - Т. 165, № 8. - С. 887-917.

14. Никитенко В.И., Осипьян Ю.А. Проблемы современной кристаллографии. -М.: Наука, 1975.-512с

15. Еременко В.Г., Никитенко В.И., Якимов Е.Б., Ярыкин Н.А. Донорное действие дислокаций в монокристаллах n-Si// ФТП. 1978. - Т. 12, № 2. -С. 273-279.

16. Blumenau А.Т., Jones R., Oberg S., Briddon P. R., Frauenheim T. Dislocation related photoluminescence in silicon //Physical review letters, 2001, vol. 87, № 18, p. 187404-1-187404-4.

17. Шевченко С.А., Изотов А.Н. Дислокационная фотолюминесценция в кристаллах кремния с различным примесным составом// Физика твердого тела. 2003. - Т. 45, № 2. - С. 248-253.

18. Ostapenko S., Tarasov I., Kalejs J. P., Haessler C, Reisner E.-U. Defect monitoring using scanning photoluminescence spectroscopy in multicrystalline silicon wafers //Semicond. Sci. Technol., (2000), 15, 840-848.

19. Штейнман Э.А., Вдовин В.И., Изотов A.H., Пархоменко Ю.Н., Борун А.Ф. Фотолюминесценция и структурные дефекты слоев кремния, имплантированных ионами железа// Физика твердого тела. 2004. - Т. 46, № 1. - С. 26-30.

20. Шикина Ю.В., Шикин В.Б. Инверсия типа проводимости в пластически деформированных п полупроводниках //ФТП. - 1994. - Т. 28, № 4. - С. 675-680.

21. Соболев Н.А., Шеек Е.И., Емельянов A.M., Вдовин В.И., Югова Т.Г. Влияние собственных точечных дефектов и оптически активных центров при отжиге кремния, имплантированного эрбием и диспрозием //ФТП. -1999. Т. 33, № 6. - С. 656-659.

22. Сеченов Д.А., Светличный A.M., Захаров А.Г. Структура металл-диэлектрик полупроводник на основе дислокационного кремния// Известия высших учебных заведений. Физика. 1972. -№ 2. - С. 163-165.

23. Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных схем /Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 327с., ил.

24. Берман Л.С. Введение в физику варикапов. Изд-во «Наука». Ленингр. отд., Л, 1968- 180 с.

25. Бормонтов Е.Н., Борисов С.Н., Волков О.В., Левин М.Н. Лукин С.В. Моделирование вольт-фарадных характеристик для контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования// Известия вузов. Электроника. 1999. - № 5. - С. 33 - 39.

26. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512с.

27. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-600с.

28. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. - 548с.

29. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Наука, 1989. - 432с.

30. Ждан А.Г., Кухарская Н.Ф., Чучева Г.В. Определение абсолютной величины поверхностного потенциала полупроводника по квазистатическим вольт-фарадным характеристикам МДП-структуры// ФТП. 2003. - Т. 37, № 6. - С. 686 - 691.

31. Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких уровней при обмене носителями тока с обеими разрешенными зонами// ФТП. 1997. - Т. 31, № 4. - С. 437 - 440.

32. Поклонский Н.А., Сягло А.И., Бискупски Г. Модель зависимости термической энергии ионизации примесей от их концентрации и компенсации в полупроводниках// ФТП. 1999. - Т. 33, № 4. - С. 415 -419.

33. Берман Л.С. Моделирование энергетического спектра поверхностных состояний структур металл-диэлектрик-полупроводник с учетом тока через диэлектрик// ФТП. 2002. - Т. 36, № 6. - С. 697 - 700.

34. Гавриловец В.В., Бондаренко В.Б., Кудинов Ю.А., Кораблев В.В. Равновесное распределение мелкой примеси и потенциала в приповерхностной области полупроводника в модели полностью обедненного слоя// ФТП. 2000. - Т. 34, № 4. - С. 455 - 458.

35. Каретникова И.Р., Нефедов И.М., Шашкин В.И. О точности восстановления профиля легирования полупроводников на основе вольтфарадных измерений в процессе электрохимического травления// ФТП. -2001.-Т. 35, №7.-С. 801 -807.

36. Емкостные методы контроля электрофизических свойств полупроводниковых структур: Учебное пособие /А.Г. Захаров, Д.А. Сеченов, Ю.И. Молчанов, Г.М. Набоков. Таганрог: ТРТИ, 1983. - 72с.

37. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. -264с., ил.

38. Бормонтов Е.Н., Борисов С.Н., Леженин В.П., Лукин С.В. Экспресс-метод контроля зарядовых свойств ионно-легированных структур металл-окисел-полупроводник.//Письма в ЖТФ, 2000, том 26 № 21, с. 76-81

39. Вавилов B.C., Челядинский А.Р. Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения.// Успехи физических наук. Приборы и методы исследований, том 165 №3, с. 347-358

40. Томашевский А.В., Снежной Г.В., Чернявский К.А. Влияние параметров МДП-структуры на крутизну высокочастотной вольт-фарадной характеристики.//Радиоэлектроника, информатика, управление № 2 1999.

41. И.Б. Варлашов, Н.В. Соболев, Г.Т. Липко. Влияние неоднородностей на расчет плотности поверхностных состояний в МДП-структурах// Автоматика и радиоэлектроника. Полупроводниковые приборы. 1979, том 8, № 24 стр. 50-53

42. Елфимов Л.Б., Иванов П.А. Поверхностная емкость полупроводника с глубокой легирующей примесыо (на примере p-6H-SiC<B>).// ФТП 1994, том 28, № 1 стр. 161 167

43. Ragi R., Manzoli J., Romero M.A., Nabet В. Modeling the C-V Characteristics of Heterodimensional Schottky Contacts.//ESSDERC 2002, s. 623-626

44. Стриха В.И., Бузанева E.B. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике. М.: Радио и связь, 1987.-256 е.: ил.

45. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1973. -656с.

46. Блекмор Дж. Статистика электронов в полупроводниках. М.: Мир, 1964. -392с.

47. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1984.-352с.

48. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование распределения потенциала в приповерхностной области полупроводника с глубокими уровнями// Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2005. № 9. С. 217-222

49. Захаров А.Г., Богданов С.А. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур с учетом однозарядного глубокого энергетического уровня// Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2007., № 5 С. 21-27.

50. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов/ Под. ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхема: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1988. 496 е.: ил.

51. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование вольт-фарадных характеристик МДП-структур с неоднородным распределением основной легирующей примеси// Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2006. № 9. С. 57-61

52. Захаров А. Г. Диагностика глубоких энергетических уровней в полупроводниковых структурах.// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион, Естественные науки № 4 (92), 1995, с.29-32.

53. Берман Л. С., Лебедев А. А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках.-Л.: Наука,1981.— 176с.

54. Георгиу В. Г., Иванов М. Б., Сидоров В. Г., Шлихтов С. Н. Спектроскопия глубоких примесных центров методами стимулированной ёмкости.— Зарубежная радиоэлектроника, 1979, № 8, с.3-26.

55. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств дефектов в кремнии. Отчет по НИР(заключительный) / Таг. гос. рад. унт.

56. ТРТУ); Руководитель А.Г Захаров. № ГР. 01.2002.03301; Инв. № 02.2003.03367. - Таганрог: ТРТУ, 2003. - 143 с.

57. Захаров А.Г., Богданов С.А., Варзарев Ю.Н., Набоков Г.М. Устройство для определения температуры полупроводниковой структуры при измерении параметров глубоких энергетических уровней. Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2004. № 8 (43). -326 с. стр. 214-215.

58. Гёлль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. 2-е изд., испр. - М.:ДМК,1999.-144с.:ил.

59. Зайцев О. В. Коммуникацинные порты персонального компьютера. (http://z-ol.chat.ru/port/port i.htin)

60. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ.— Изд. Шестое. М.: Мир, 2001,— 704с., ил.

61. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: ЭКОМ, 2000 - 224 с.

62. Сеченов Д.А., Светличный A.M., Захаров А.Г. Локальное введение дислокаций в кремний с помощью электроискрового разряда// Известия вузов. Приборостроение. 1972. № 4 - с 118. - 122.

63. Сеченов Д.А., Захаров А.Г., Беспятов В.В. Формирование в кремнии локальных дислокационных областей электроискровым разрядом. «Электронная обработка материалов». 1975. № 2. с. 14-17.

64. Сеченов Д.А., Беспятов В.В., Рушанов А.П., Басов И.М. Структура поверхности кремния после электроискровой обработки// Электронная обработка материалов. 1980, № 5, С. 17-21.

65. Гитлевич А.И. и др. Особенности пластической деформации, возникающей при электрической эрозии некоторых полупроводниковых монокристаллов.//Электронная обработка материалов. 1967. № 4. с.6-11.

66. Вавилов В.С„ Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: Наука, Гл. ред. физ. - мат. лит., 1990. -216 с.

67. Болтакс Б.И., Бахардыханов М.К., Куликов Г.С. Городецкий С.М. Компенсированный кремний. JI.: Наука, 1979. - 122 с.

68. Абдурахманов К.П., Куликов Г.С., Лебедев А.А. и др. Исследования поведения примесей марганца и никеля при диффузионном легировании кремния //Физика и техника полупроводников. -1991. Т. 25, вып.6.- С. 1075- 1078.

69. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников. Изд-во «Наука», Ленингр. отд., 1972, с. 104.

70. Кроуэлл К.Р., Зи С.М. Явления переноса горячих электронов и туннельный эффект в тонкопленочных структурах. // Физика тонких пленок. Под ред. Хасса Г.и Туна Р.Э. М.: Мир, 1970.-Т.4-С. 387-436.

71. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Транзисторы с металлической и сверхпроводниковой базой// Зарубежная электронная техника. 1989. -№6.-С. 3-38.

72. Захаров А.Г., Котов В.Н., Богданов С.А. Моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки транзистора с металлической базой// Нано-и микросистемная техника. 2007., № 4 С. 45-47.

73. Пожела Ю.К. Физика сверхбыстродействующих транзисторов. Вильнюс: Мокслас, 1989.-264с.

74. Захаров А.Г., Молчанов Ю.И., Нестюрина Е.Е. Сравнительный анализ элекрофизических свойств металлов для формирования транзистора с металлической базой // Известия ТРТУ- Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1995-№1- С. 178- 182.

75. Захаров А.Г., Дубашев С.А., Колпачев А.Б. Квантовомеханическая модель гетероструктуры с тонким проводящим слоем // Известия ТРТУ-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1995№ 1С. 167 171.

76. Борблик B.JL, Грибников З.С. Транзисторы на горячих электронах// Физика и техника полупроводников. 1988. - Т. 22, №9- С. 1537-1555.

77. Справочник по электротехническим материалам./ Под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.-728 с.

78. Давыдов С.Ю. Простая модель расчета высоты барьеров Шоттки на контактах переходных металлов с политипами карбида кремния // ФТТ. -2004. Т. 46, № 12. - С. 2135 - 2138.

79. Зи С.М. Технология СБИС. М.: Мир, 1986. - Т. 1- 404 с.

80. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: Учебное пособие. М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. - 496 с.

81. Публикации по теме диссертационной работы

82. Захаров А.Г., Богданов С.А. Вольт-фарадные характеристики МДПструктур с учетом однозарядного глубокого энергетического уровня// Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2007. № 5, С. 21-27.

83. Захаров А.Г., Богданов С.А., Набоков Г.М. Автоматизированный комплексдля диагностики МДП-структур. Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: труды 3-й международной конференции. Ульяновск: УлГУ, 2005. С.70.

84. Захаров А.Г., Богданов С.А. Влияние электрически активных примесей иих распределения на вольт-фарадные характеристики МДП-структур// Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники.

85. Труды 10-й международной научной конференции, 2006, Таганрог. С. 93-95.

86. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование влияния глубоких энергетических уровней на вольт-фарадные характеристики МДП-структур// Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды VIII международной конференции. Ульяновск: УлГУ, 2006. С. 118.

87. Захаров А.Г., Богданов С.А., Варзарев Ю.Н., Набоков Г.М. Устройство для определения температуры полупроводниковой структуры при измерении параметров глубоких энергетических уровней. Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2004. № 8 (43). -326 с. стр. 214-215.

88. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование распределения потенциала вприповерхностной области полупроводника с глубокими уровнями// Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2005. № 9. С. 217-222

89. Захаров А.Г., Богданов С.А. Моделирование вольт-фарадных характеристик МДП-структур с неоднородным распределением основной легирующей примеси// Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2006. №9. С. 57-61

90. Схема электрическая принципиальная устройства определения температуры исследуемой полупроводниковой структуры

91. Схема электрическая принципиальная УОТ представлена на рисунке АЛ.2 8