Неравновесные процессы в кремнии, легированном нетрадиционными примесями и многослойных структурах на его основе

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время во всём мире одной из важных физических проблем в стремительно развивающемся направлении нано и оптоэлектроники является разработка методов спектроскопии поверхностных и объемных дефектов в многослойных кремниевых структурах и контролируемого управления распределением примесей в легированных полупроводниках, особенно с глубокими уровнями, такими как переходные и редкоземельные элементы в объеме кристаллов, используемых в полупроводниковых приборах, предназначенных для применения в переключающих и обладающих бистабильными свойствами устройствах. В годы независимости учеными нашей страны осуществлены широкомасштабные комплексные меры по получению нового класса полупроводниковых материалов путем легирования полупроводникового материала примесями, создающими глубокие энергетические уровни и достигнуты определенные результаты. В этом направлении созданы новые способы диффузии редкоземельных и переходных элементов никеля и марганца в кремний, усовершенствована технология получения нанокластерных материалов, при этом можно особо отметить достигнутые значительные успехи по получению фоточувствительных и магниточувствительных структур на основе кремния легированного переходными металлами. В соответствии со “Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан” является наиболее важным повышение эффективности отрасли наноэлектроники на основе теоретических и практических исследований в области физики полупроводников за счет внедрения инновационных технологий. Во всём мире на сегодня изучение неравновесных процессов в кремнии, легированном нетрадиционными примесями открывает возможность повышения воспроизводимости, срока службы и надежности полупроводниковых приборов. В связи с этим изучение процессов взаимодействия нетрадиционных примесей между собой и с неконтролируемыми примесями, в частности, реализация научных исследований в следующих направлениях считается одной из важных задач: исследование электрофизических и оптических свойств кремния, легированного НП; изучение взаимодействия атомов НП с ростовыми примесями (кислородом) в кремнии; изучение физических процессов, происходящих в объеме диэлектрика, полупроводника, на границе их раздела и в переходном слое Si - SiCh; изучение влияния внешних факторов (облучения, температуры и др.) на свойства кремния и кремниевых многослойных структур типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП); исследование влияния некоторых глубоких примесей - V, Ni, Sm и Gd на свойства кремниевых МДП-структур. Научно-исследовательские работы, проводимые в указанных направлениях, указывают на актуальность темы данной диссертации. Настоящая научно-исследовательская работа в определенной степени служит выполнению задач по повышению конкурентоспособности изделий электронной техники, отмеченных в постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011 - 2015 годах» от 15 декабря 2010 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является изучение процессов дефектообра-зования в кремнии, легированном нетрадиционными примесями - переходными и редкоземельными элементами, а также исследование влияния этих примесей на свойства кремниевых МДП-структур. Научная новизна диссертационного исследования: разработан метод определения параметров МДП-структур, который позволяет определить энергетический спектр плотности поверхностных состояний (ППС) при низких значениях Nss, кинетику различных электронных процессов в МДП-структурах, а также определить раздельно параметры электрически активных дефектов в объеме полупроводника, диэлектрика, переходном слое Si-SiCb и на границе их раздела с помощью DLTS при постоянной емкости (CC-DLTS) с высокой разрешающей способностью (Nss<l-Ю9 см’2 эВ'); обоснованы основные факторы, определяющие эффективность образования глубоких центров (ГЦ) нетрадиционными примесями в Si, то есть температура отжига и скорость охлаждения после легирования, при различных низких и высоких температурах, а также особенности дефектооб-разования в Si, легированном в процессе роста и диффузией Ni или V при различных низко- и высокотемпературных обработках; экспериментально определено, что атомы нетрадиционных примесей (V, Ni, Gd, Sm), вводимые в кремний, взаимодействуя с ростовой примесью (О), приводят к уменьшению концентрации оптически активного кислорода (от 10 до 50%) в зависимости от вида конкретной примеси, вплоть до потери оптической прозрачности (Si<Ni>); установлена взаимосвязь с удаленными от поверхности Si центрами и новыми радиационными дефектами, образуемыми в объеме диэлектрика при облучении кремниевых МДП-структур у-квантами и электронами, которые приводят к увеличению концентрации дефектов при больших дозах и к появлению сквозного тока, препятствующего формированию стабильного инверсионного слоя на поверхности полупроводника; разработан способ определения параметров и местоположения различных радиационных дефектов в МДП-структурах, подвергшихся воздействию проникающего излучения при положительном и отрицательном смещениях на полевом электроде, обеспечивающий стабилизирующие условия образования радиационных дефектов; разработана модель пространственного распределения свободных связей кремния в слое состава SiOx между кремнием и двуокисью кремния шириной около 0.6 нм при образовании характерного РД, обусловленного свободной связью на атоме Si в переходном слое Si-SiO2 МДП-структур, облученных электронами и у-квантами, а также в структурах с катоднораспыленной пленкой SiCh; экспериментально показано, что при изохронной термообработке встроенный заряд и объемные состояния диэлектрика в МДП-структурах отжигаются при 250°С, а поверхностные состояния на границе раздела Si-SiO2 отжигаются при 35О°С, при этом характерные РД в переходном слое Si-SiO2 полностью отжигаются при 400° С. Заключение генерационномногослойных легированных На основе проведенных комплексных исследований релаксационных эффектов в кремнии и кремниевых структурах типа металл-диэлектрик-полупроводник, нетрадиционными элементами сделаны следующие выводы: 1. Усовершенствована технология изготовления кремниевых многослойных структур типа металл-диэлектрик-полупроводник путем добавления паров трихлорэтилена C2HCI3 в атмосфере влажного кислорода. 2. Показано, что примеси V и Ni независимо от способа легирования в n-Si образуют три глубокие уровни: ГУ (Ес-0.22 эВ, Ес-0.45 эВ и Ес-0.52 эВ), а в n-Si<Ni> два ГУ (Ес-0.19 эВ и Ес-0.41 эВ) с фиксированными энергиями ионизации и эффективность образования этих центров зависит от технологических режимов - Тднф и Уохл и способа легирования. 3. Выявлено, что путем введения нетрадиционных примесей (переходных и редкоземельных элементов - V и Ni, Gd и Sm ) в кремний можно снизить эффективность термического дефектообразования и замедлить процессы образования РД. 4. Наблюдаемое на эксперименте снижение концентрации кислорода и углерода на 25-50%, а в отдельных случаях (Si<Ni>) потеря оптической прозрачности кремния связано с активным взаимодействием атомов нетрадиционных примесей в кремнии с ростовыми неконтролируемыми примесями. 5. Показана возможность определения энергетического распределения ППС и сечения захвата на них по всей ширине запрещенной зоны кремния с с помощью разработанного метода DLTS при постоянной емкости (СС-DLTS), который позволяет определить энергетический спектр ППС при низких значениях Nss, кинетику различных электронных процессов в МДП-структурах, а также раздельно определить параметры электрически активных дефектов в объеме полупроводника, диэлектрика, переходном слое Si-SiO2 и на границе их раздела. 6. Найдено, что у-облучение МДП структур приводит к образованию РД на границе раздела Si-SiO2 и в объеме диэлектрика, при этом облучение со смещением (V*0) стабилизирует условия образования РД, пространственно распределенных в переходном слое между кремнием и окисным слоем в отличие от облучения без смещения, приводящего к флуктуациям встроенного заряда в окисле. 7. Сравнение результатов воздействием у-квантов 60Со на различные параметры МПОП-структур и МОП-транзисторов типа КП304А показало, что облучение у-квантами 60Со приводит к большему изменению порогового напряжения и ППС границы раздела Si-SiCh по сравнению с влиянием высокоэнергетического тормозного у-излучения и связывается с различием величины поглощенной дозы в окисном слое. 8. Проведена оценка профиля распределения степени окисления кремния в переходном слое Si-SiCh реальных приборов и обнаружено, что на спектрах CC-DLTS МДП-структур с катодно-распыленной пленкой SiOx наблюдается максимум при Т=280 К, связанный с эмиссией электронов из дефектов в переходном слое между кремнием и тонкой пленкой окисла. 9. Изучены различные электронные процессы, происходящие в объеме диэлектрика, полупроводника, на границе их раздела, а также в переходном слое Si-SiO2 и оценен их вклад в картину релаксационных процессов в МДП-структурах. 10. Определены параметры тестовых МДП-структур на основе IITJIK и показана возможность уменьшения плотности ПС на границе Si-SiO2 путем низкотемпературной обработки и использования их для производства приборов с зарядовой связью. 11. Обнаружено, что присутствие примесей V и Ni в кремниевой подложке МДП-структур приводит к увеличению ППС и образованию положительного заряда на границе раздела Si-SiO2, а также к изменениям распределения Nss по Eg и образованию нескольких явно выраженных пиков в области энергий, соответствующих глубоким уровням ванадия и никеля. Аналогичным образом ведут себя примеси редкоземельных элементов (гадолиния и самария) в МДП структурах.