На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. icon

На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05.



НазваниеНа правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05.
Дата конвертации06.07.2013
Размер291.28 Kb.
ТипАвтореферат
источник


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

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 вычис-лительных систем»

Беспятов Василий Васильевич

(г. Таганрог)


Ведущая организация: Кабардино-Балкарский государственный

университет им. Х.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 Н.Н. 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 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 Сmax и минимальной Cmin емкостей, плотности поверхностных со­стояний Nss и их распределения по энергии E, толщины диэлектрика d и его диэлектрической проницаемости , типа проводимости полупроводниковой подложки, концентрации при­меси и закона ее распределения в приповерхностной области полупроводника – 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 n-типа проводимости никелевым электродом приводит к формированию в запрещенной зоне акцепторных ГУ с энергиями ионизации , , , .

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 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 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 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 структуры металл-полупроводник на величину мВ;

  • существенное влияние в кремнии акцепторные ГУ с энергетическим положением эВ могут оказы­вать при температурах К, c эВ при К, с эВ при 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 , , , ;

  • 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.


^ Краткое содержание работы


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 , . Здесь – распределение потен­циала в области пространственного заряда полупроводника; – величина электро­статического потенциала на поверхности полупроводника; – ширина ОПЗ; 0 – электрическая постоянная вакуума;  – диэлектрическая постоянная полупроводника; – объемная плотность заряда ОПЗ, в которой – величина заряда электрона; , – концентрации свободных носителей заряда в ОПЗ полупроводника; – 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–Дирака. 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 , где – количество дополнительных сеток, применяемых при решении уравнения Пуассона, – 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 дополнительных сеток с шагом минимальной сетки , требование к погрешности решения .

С помощью разработанной модели, на примере кремния с 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 могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера структуры металл-полупроводник на величину мВ, а также уменьшению поверхностного потенциала, соответствую­щего образованию инверсионного слоя в МДП-структурах, на величину мВ. Кроме того, установлено, что существенное влияние на форму потенциального барьера акцепторные ГУ в кремнии с эВ могут оказы­вать при температурах К, c эВ при К, с эВ при 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 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 .

Распределе­ния потен­циала в структуре Si-W на примере примеси фосфора в кремнии ( см-3) при температуре Т = 100 К приведены на рис. 1.




1 – в отсутствии ГУ,

2 – при наличии акцепторного ГУ

с эВ, см-3


На основе разработанной модели были также рассчитаны ВФХ МДП-структур при различных законах распре­деления легирующей примеси и наличии в полупроводниковой подложке ГУ. При этом полная емкость МДП-структуры определялась из выражения , где – емкость диэлектрика, – емкость области пространственного заряда, величина которого рассчитывалась как .

Семейство нормированных квазистатических ВФХ МДП-структур с толщиной ди­электрика SiO2 100 нм () для различ­ных концен­траций акцепторных ГУ () при темпе­ратуре 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, соответствующие изменению концентрации примеси по закону Гаусса (см. закон 2 таб­л. 1) при мкКл/см-2, см-3, нм, К.

Таблица 1

Виды распределений основной легирующей примеси

1)

а)

см-3

б)

см-3

в)

см-3

2) ,

при см-3, мкКл/см2, нм, нм

3)

при нм-1, нм

а)

см-3

б)

см-3











1 нм; 2 – нм; 3 – нм; 4 – нм.


Установлено, что наибольшее влияние на ВФХ МДП-структур оказывают измене­ния концентрации примеси непосредственно в пределах ОПЗ. Ширина ОПЗ зависит от особенностей распределения примеси и определяет минимальную емкость ВФХ МДП-структур. Кроме того, изменяя целенаправленно закон легирования атомов примеси в 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 металл-полупроводник, а также по­высить достоверность определения электрофизических параметров границы раздела ди­электрик-полупроводник в МДП-структурах.

Третья глава посвящена исследованию влияния дефектов на электрофизические свойства полупроводниковых структур (ПС). 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 температуры ПС, позволяющее обрабатывать и передавать в ЭВМ типа IBM PC сигнал, про­пор­циональный температуре исследуемой ПС, разрешаю­щая способность которого составляет величину порядка 0,1 0С в широком диапазоне тем­ператур от минус 200 0С до плюс 500 0С;

  • 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 смещения, позволяющий задавать при по­мощи ЭВМ напряжение смещения на исследуемой ПС в диапазоне от минус 100 В до плюс 100 В с шагом 1 мВ, контролировать ток утечки ПС и возможность измерять её ВАХ.

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




Полученные значения энергий ионизации (, , , ) обусловлены комплексами дефектов с участием атомов никеля, а также близки к известным из литературы параметрам ГУ, обусловленных наличием в кремнии дислокаций. Кроме того, 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 – 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 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 металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

С учетом ряда приближений проведено

моделирование распределения потенциала в ОПЗ эмиттера и коллектора транзистора с металлической базой (SiC-Cr-SiC) на основе 3С, 15R, 4H 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 () в область коллектора можно пренеб­речь; существенное влияние на

Таблица 2

Параметры барьера Шоттки SiС-Cr




Высота барьера

со стороны

полупроводника , В

Ширина ОПЗ , нм

в ней­тральной области полупроводника, эВ

политип

политип

политип





















0.108

0.773

1.134

5220

10261

11911

0.392

0.377

0.366



0.227

0.892

1.253

668

1086

1239

0.273

0.258

0.247



0.346

1.011

1.372

77

114

128

0.154

0.139

0.128

2

0.108

0.773

1.134

43

78

98

0.392

0.377

0.366



0.108

0.773

1.134

5254

10276

11907

0.392

0.377

0.366



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 и объемного заряда , величина объемного заряда и объемного потенциала , а также напряжения плоских зон 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 образом, такие МДП-структуры можно использовать при проек­тировании варикапов, применяемых в составе перестраиваемых частотных фильтров.

В заключении сформулированы основные научные и практические резуль­таты работы.

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


^ 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-диэлектрик-полупроводник.

2. Разработана математическая модель распределения потенциала, позволяющая учитывать влияние ГУ и неравномерного распределения примесей на 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-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник, а также вольт-фарадные характеристики МДП-структур. Установлено, что акцепторные ГУ в кремнии n-типа проводимости могут приводить к уменьшению высоты потенциального барьера структуры металл-полупроводник на величину мВ; существенное влияние акцепторные ГУ с энергетическим положением эВ могут оказы­вать при температурах К, c эВ при К, с эВ при 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 проведения 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 (, , , ) 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 – C. 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. – C. 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). – C. 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. № Тираж 110 экз.





Похожие:

На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconКомплект методичек
Статические характеристики полевого транзистора со структурой металл диэлектрик полупроводник. Мдп транзистор
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconУчебно-методическое пособие «Исследование структур металл сегнетоэлектрик полупроводник». Для студентов факультета физики
Однако наибольшее внимание привлекает запоминающая функция таких структур, связанная с обращением спонтанной поляризации и открывающая...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconЭлектрофизические свойства наноструктур si/SiO2, полученных методом прямого сращивания
...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconКонкурс научных работ ифп со ран «Влияние гидрогенизации на электрофизические свойства эпитаксиальных структур Cd X hg 1 X te» Авторы: Ю. Г. Сидоров, В. С. Варавин, Г. Ю. Сидоров, М. О. Г арифуллин
В представленных статьях исследовано влияние гидрогенизации пленок CdxHg1-xTe (крт) с Х 22, выращенных методом млэ, на концентрацию...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconРеферат «Гибридные оболочки графен-полупроводник»
...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconСнижение подвижности электронов в канале метал-окисел-полупроводник транзистора при уменьшении длины затвора
М, что сопротивление канала уменьшается и соответственно величина последовательных сопротивлений областей истока и стока становятся...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconВлияние ориентации подложки на спиновую поляризацию на границе раздела сплав Гейслера -полупроводник
Институт физики прочности и материаловедения со ран, Томск 634021, Академический 2/4
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. icon50. Медь и латуни. Состав, структура, свойства. Медь
Медь и латуни. Состав, структура, свойства. Медь это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/ Кристаллическая решетка гцк. Температура...
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. iconНа правах рукописи беденко светлана Викторовна
Влияние манипулятивной направленности личности руководителя на социально-психологический климат группы
На правах рукописи Богданов Сергей Александрович Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник Специальность 05. icon51. Медь и бронзы. Состав, структура, свойства. Медь
Медь и бронзы. Состав, структура, свойства. Медь это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©ttu.rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов