Влияние примесей Zr, Ti и Hf на электрофизические свойства кремниевых структур

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодня в мире в области быстро развивающейся полупроводниковой микро- и оптоэлектроники одним из перспективных направлений является исследования свойств примесей, создающих различные дефектные центры в полупроводниках. В этом плане исследования направленные на изучение влияния тугоплавких примесей на электрофизические свойства кремниевых структур и разработке способов повышения термической стабильности и радиационной стойкости параметров кремниевых МДП-структур являются одними из основных задач. В годы независимости учеными Узбекистана уделяется большое внимание изучению процессов легирования полупроводниковых материалов и многослойных структур примесями с глубокими уровнями (ГУ). Достигнуты определенные успехи в разработках по повышению фоточувствительности кремниевых структур путем введения примесей переходных и редкоземельных элементов. В соответствии со “Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан” является наиболее важным повышение эффективности отрасли микроэлектроники на основе теоретических и практических исследований в области физики полупроводников за счет внедрения инновационных технологий. В мире на сегодня изучение взаимодействия между примесными частицами и дефектами структуры полупроводника, влияния гетерогенности строения МДП-структуры на перераспределение примесей открывает возможность повышения стабильности рабочих параметров микросхем на основе МДП-структур являющихся базовыми элементами современной электроники. В этом плане целевые научные исследования, в том числе в нижеприведенных направлениях: исследование электрофизических свойств полупроводников, легированных тугоплавкими элементами и идентификация глубоких уровней, создаваемых этими примесями; изучение влияния атомов ТПЭ на процессы термического и радиационного дефектообразования в кремнии; исследования взаимодействия атомов ТПЭ с неконтролируемыми технологическими примесями; изучение влияния атомов тугоплавких элементов на параметры различных кремниевых структур. Научные исследования проводимые в этом направлении указывают на актуальность темы данной диссертации. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2010 года и ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является комплексное исследование с помощью емкостной спектроскопии электрофизических свойств Si, легированного примесями некоторых тугоплавких элементов (ТПЭ), в частности, атомами Hf, Ti и Zr, их взаимодействия с другими электроактивными и элекгронейт-ральными примесями в кремнии, влияния этих примесей на свойства кремниевых структур типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Научная новизна исследования заключаются в следующем:показано, что эффективность образования уровней Zr, Ti и Hf в кремнии зависит от технологических режимов (температуры и длительности диффузии, а также скорости постдиффузионного охлаждения образцов); обнаружено, что в кремнии, легированном примесями ТПЭ в процессе выращивании, ГУ не наблюдаются, но последующая высокотемпературная обработка (ВТО) в интервале температур 1OO(R125O°C приводит к активации атомов Zr, Ti и Hf и образованию глубоких уровней; установлено, что диффузионное введение примесей ТПЭ приводит к снижению эффективности образования термических и радиационных дефектов и стабилизации параметров кремния; впервые установлено, что наличие редкоземельных примесей (лантана или эрбия) в решетке Si увеличивает эффективность образования ГУ, связанных с дополнительно введенным цирконием, тиганом или гафнием; установлено, что присутствие примесей Zr, Ti и Hf в объеме подложки кремниевых МДП-структур, приводит к сдвигу ВЧ ВФХ в сторону отрицательных смещений по сравнению с контрольными образцами, что свидетельствует об увеличении плотности поверхностных состояний МДП -структур и образовании положительного заряда на границе раздела Si-SiO2. обнаружено, что наличие примесей ТПЭ приводит к изменению распределения плотности поверхностных состояний Nss по ширине запрещенной зоны Е„ полупроводника кремниевых МДП-структур. Заключение Основные результаты данной работы состоят в следующем: 1. Впервые проведено комплексное исследование свойств кремния с примесями Zr, Ti и Hf, установлено, что введение этих примесей путем высокотемпературной диффузии в кремний приводит к образованию ряда глубоких уровней. 2. Изучена эффективность образования уровней Zr, Ti и Hf в кремнии в зависимости от технологических факторов и показано, что концентрация уровней этих примесей увеличивается с ростом температуры диффузии и скорости охлаждения образцов после диффузии. 3. Впервые с помощью емкостной спектроскопии определен энергический спектр ГУ, создаваемых атомами Zr, Ti и Hf в кремнии при их диффузионном введении и показано, что в Si<Zr> образуются глубокие уровни Ес-0.22 эВ, Ес-0.42 эВ и Ev+0.30 эВ; в Si<Hf> образуются глубокие уровни Ес-0.20 эВ и Ес-0.28 эВ, Ev+0,35 эВ; в Si<Ti> - ГУ Ес-0.20 эВ, Ес-0.27 эВ, Ev+О.ЗО эВ. 4. Обнаружено, что диффузионное введение Zr, Ti и Hf приводит к снижению эффективности образования термических дефектов в 5-6 раз и радиационных дефектов в 3-4 раза и стабилизации параметров кремния. 5. Показано, что в кремнии, легированном Zr, Ti и Hf при выращивании, ГУ не наблюдаются, но последующая высокотемпературная обработка (ВТО) в интервале температур 1000+1250°С приводит к активации атомов ТПЭ и РЗЭ и образованию глубоких уровней. 6. Впервые установлено, что наличие лантана или эрбия в решетке Si увеличивает эффективность образования ГУ, связанных с дополнительно введенным цирконием, титаном и гафнием и стабилизирует их свойства. 7. Обнаружено, что присутствие примесей Zr, Ti и Hf в объеме подложки МДП-структур на основе Si, приводит к сдвигу ВЧ ВФХ в сторону отрицательных смещений по сравнению с контрольными образцами. Это свидетельствует об увеличении плотности поверхностных состояний МДП - структур и образовании положительного заряда на границе раздела Si-SiO2. 8. Установлено, что наличие примесей Zr, Ti и Hf приводит к изменению распределения плотности ПС Nss по ширине запрещенной зоны Eg полупроводника кремниевых МДП-структур.