Эффекты зарядовой компенсации в модифицированных слоях SiO2 на кремнии

Актуальность темы

.

Одним из факторов, определяющих темпы научного и технического прогресса в твердотельной электронике, является успешное проведение фундаментальных исследований физико-химических процессов, протекающих в структурах полупроводник-диэлектрик (ДП), в первую очередь в структурах Si-SiC>2, при их изготовлении и эксплуатации. Это было обусловлено тем, что структуры Si-Si02 и создаваемые на их основе функциональные устройства являлись основой элементной базы современной твердотельной электроники. Однако развитие коммуникационных технологий и увеличивающаяся миниатюризация предъявляют к микроэлектронным устройствам новые требования, выполнение которых невозможно даже при использовании таких совершенных структур как Si-Si02, сформированных путем термического окисления кремния. Одним из таких требований, например, является переход от электрической передачи данных к оптической передаче, что равносильно попытке создания оптоэлектронных приборов на основе существующей кремниевой технологии. Все это привело к тому, что, начиная с 1990;х годов, в микроэлектронике и твердотельной электронике появился целый ряд устройств, использующих в качестве основы структуры кремний-диэлектрик, в которых в качестве диэлектрика использовался модифицированный слой двуокиси кремния. Такие структуры формировались:

— путем термического окисления кремния и последующей направленной модификации свойств окисного слоя внешними, зачастую экстремальными, воздействиями (радиационное облучение, имплантация, термополевые воздействия и т. д.).

— путем термического окисления предварительно модифицированной кремниевой подложки (кремний с изовалентнозамещенным германием, пористый кремний и т. д.).

— использование принципиально другой технологической базы: кремний на изоляторе, SIMOXтехнология и т. д.

Оказалось, что такие структуры обладали целым набором специфических свойств, среди которых для нас представляет особый интерес их реакция на различные внешние воздействия, связанные с возбуждением ^ атомной и электронной подсистем ДП-структур и их последующей релаксацией, приводящей к различным видам атомных перестроек, включая процессы дефектообразования.

В связи с вышеизложенным представляется целесообразной и актуальной постановка работы, в которой было бы проведено изучение электрофизических свойств и характера протекающих электронных процессов в структурах кремний-модифицированный окисный слой. Цель работы.

Цель настоящей работы заключалась в изучении электронных процессов в структурах кремний-модифицированный слой Si02 и выявлении на этой основе общих закономерностей в изменении электрофизических свойств данных структур в результате внешних (экстремальных) воздействий. Задачи.

Для реализации данной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка новой и усовершенствование существующих методик для изучения электронных процессов в модифицированных окисных слоях на кремнии.

2. Исследование основных закономерностей образования электрически активных центров (ЭАЦ) в ДП-структурах, полученных с использованием ионной имплантации (ИИ).

3. Исследование основных закономерностей образования ЭАЦ в структурах Si-Si02 при менее энергетичных экстремальных воздействиях.

4. Выявление общих закономерностей изучаемого круга явлений и разработка модельных представлений о процессах формирования ЭАЦ в модифицированных окисных слоях на кремнии.

Для успешного решения поставленных задач в работе была использована система электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДП), обладающая рядом преимуществ перед традиционно используемой для подобных исследований системой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). ЭДП система позволяет создавать в диэлектрическом слое значительно более сильные электрические поля (до 30 МВ/см для слоя SiC>2 толщиной 30 нм), не вызывая деструктирующего пробоя, и осуществлять эффективный контроль за свойствами ДП-структур. При этом используются как традиционные для микроэлектроники методы (вольтфарадных и вольтамперных характеристик), так и специально разработанные (в том числе и в рамках настоящей работы) применительно к ЭДП-системе методы (полевых циклов, кинетик тока, послойного профилирования, электролюминесценции).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые показано, что полевые воздействия на структуры Si-SiC>2, приводящие к развитию процесса ударной ионизации (УИ) в объеме Si02, сопровождаются формированием сложной зарядовой структуры окисного слоя: образованием отрицательного и положительного зарядов. При этом отрицательный заряд расположен ближе к границе с кремнием.

2. Проведено детальное изучение зарядового состояния окисных слоев структур Si-Si02, модифицированных или сформированных с помощью ИИ. Выявлен эффект зарядовой компенсации, заключающейся в формировании при определенных условиях пространственно разнесенных зарядов разного знака. Показана возможность управления зарядовым состоянием таких структур при помощи облучения светом из области ближнего ультрафиолета (БУФ-об лучения).

3. Впервые обнаружена значительная модификация окисного слоя в результате облучения светом из области вакуумного ультрафиолета (ВУФ-облучения), заключающаяся в формировании в области МФГ Si-Si02 высокой концентрации ЭАЦ, образующих пространственно разнесенные заряды разного знака непосредственно после ВУФ-облучения и изменяющие свое зарядовое состояние при последующих даже слабых (-4 МВ/см) полевых воздействиях.

4. Впервые обнаружена существенная зависимость процессов полевого дефектообразования в структурах Si-Si02 от толщины окисного слоя. Показано, что полевые воздействия на структуры с толщиной окисного слоя менее 45 нм сопровождаются подключением дополнительного порогового механизма генерации положительно и отрицательно заряженных дефектов в области 10−20 нм — от МФГ Si-Si02 в области полей, не приводящих к развитию процесса УИ в объеме окисного слоя.

5. Выявлены основные закономерности формирования зарядовых свойств структур Si-Si02 с модифицированным окисным слоем. Предложена модель, связывающая наблюдаемый эффект зарядовой компенсации в этих структурах с образованием пространственно разнесенных нестехиометрических областей SiOx сх>2их<2.

Практическая значимость работы.

1. В работе предложен и апробирован метод исследования изменений зарядового состояния структур Si-Si02 непосредственно в процессе полевого воздействия, основанный на измерении кинетик сквозного тока, протекающего через структуру при полевом воздействии.

2. Обнаруженное в работе влияние БУФ-облучения на SIMOX-структуры может быть использовано при разработке специальных датчиков УФ-излучений.

3. Показана возможность существенного управляемого изменения зарядового состояния окисных слоев на кремнии путем их модификации при помощи контролируемых внешних воздействий. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод кинетик тока-метод исследования зарядового состояния структур кремний-диэлектрик непосредственно в процессе полевого воздействия.

2. Основные закономерности изменения зарядового состояния структур Si-Si02 в результате возбуждения и последующей релаксации атомной (ионная имплантация) и электронной (электрическое поле, ВУФ-облучение) подсистем окисного слоя заключающиеся в образовании пространственно разнесенных зарядов разного знака в области межфазовой границы Si-Si02 (эффект зарядовой компенсации).

3. Модельные представления о процессах зарядовой компенсации, связывающие образование в результате модификации окисного слоя зарядов разного знака с формированием в области окисного слоя вблизи поверхности кремния нестехиометрическх областей SiOx с х > 2 и х < 2. Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Диссертация содержит 189 стр., включая 97 рисунков на 57 стр., 4 таблицы и 79 наименований библиографических ссылок на 8 стр.

Основные выводы.

1. Разработана и апробирована методика, позволяющая эффективно исследовать изменение зарядового состояния структур Si-Si02 непосредственно в процессе полевого воздействия. Показано, что совместное измерение кинетик тока и потенциала плоских зон структур Si-Si02 в процессе полевого воздействия в системе ЭДП позволяет определить величину и центроид зарядов в окисном слое, образующихся в результате возбуждения электронной подсистемы Si02, связанного с разогревом электронов и диссипацией их избыточной энергии.

2. Исследованы зарядовые свойства структур Si-Si02, модифицированных с помощью ионной имплантации. Показано, что имплантация аргона и кремния в окисный слой, начиная с дозы 1013 см" 2, всегда приводила к образованию в объеме окисного слоя положительного заряда, величина которого могла быть уменьшена путем БТО или БУФ-облучения, либо компенсирована за счет образования пространственно разнесенного с положительным отрицательного заряда, формирующегося в.

14 2 ряде случаев при дозах имплантации 10 см" и больших, т. е. в результате эффекта зарядовой компенсации. При этом структуры Si-Si02, имплантированные кремнием, обладают более сложной зарядовой структурой, которая характеризуется наличием, по крайней мере, трех пространственно разнесенных зарядов и сохраняется после отжига структур.

3. Исследованы структуры Si-Si02, сформированные с использованием ионной имплантации (SIMOX-технология), которые также характеризовались наличием значительного заряда в объеме окисного слоя, величина которого могла быть уменьшена путем отжигов, БУФ-облучением, а также использованием экранирующего оксида в процессе их формирования.

4. Структуры, сформированные или модифицированные с использованием ионной имплантации, во всех рассмотренных случаях характеризовались наличием в спектре ЭЛ двух характеристических полос излучения (2,7 и 4,4 эВ), указывающих на наличие в окисных слоях соответствующих центров люминисценции — силиленовых центров, что свидетельствует об общности механизмов дефектообразования во всех этих случаях.

5. Изучено влияние возбуждения электронной подсистемы окисного слоя, связанного с генерацией электронно-дырочных пар путем ударной ионизации и ВУФ-облучения, на зарядовые свойства структур Si-SiC^. Показано, что изменение зарядового состояния структур обусловлено формированием положительного заряда с центроидом 25 нм и появлением, начиная с некоторой его величины, компенсирующего отрицательного заряда с центроидом 10 нм, стабилизирующего зарядовое состояние структуры Si-Si02 в процессе внешнего экстремального воздействия.

6. Изучены эффекты зарядовой компенсации в структурах Si: Ge-Si02. Установлено, что в этом случае зарядовая компенсация проявляется в результате ВУФ-облучения и полевого воздействия. В последнем случае образование зарядов разного знака происходило либо в результате длительного воздействия в области полей, приводящих к развитию процесса ударной ионизации, либо после кратковременного воздействия в указанной области полей с последующим полевым воздействием в области более слабых электрических полей. В обоих случаях отрицательный заряд образовывался после образования положительного заряда с центроидом 20 нм и располагался ближе к границе Si-Si02.

7. Эффекты зарядовой компенсации (образование положительного и компенсирующего отрицательного зарядов) были обнаружены в узкой диапазоне электрических полей, не приводящих к развитию процесса ударной ионизации в объеме окисного слоя, в структурах Si-Si02 с толщиной окисного слоя менее 45 нм. В этом случае полевое воздействие, начиная с некоторой пороговой напряженности электрического поля (которая зависит от толщины окисного слоя: Еп = С + C2/dox, Ci=7,6 МВ/см, С2=51 В), приводило к образованию дополнительного положительного заряда с центроидом 20 нм, а затем к его компенсации отрицательным зарядом с центроидом 10 нм. Образование дополнительного положительного заряда наблюдалось на структурах Si-Si02 (dox < 45 нм) вне зависимости от способа их формирования и характера предварительных воздействий. При этом максимальная величина этого заряда определялась технологией формирования структур.

8. Выявлены основные закономерности проявления эффектов зарядовой компенсации в структурах Si-Si02 и показано, что на первом этапе происходит образование значительного положительного заряда, при этом конкретные механизмы его образования определяются особенностями внешних воздействий. На втором этапе происходит образование отрицательного заряда, полностью или частично компенсирующего положительный заряд, причем предпосылки для образования отрицательного заряда создаются уже на первом этапе изменения зарядового состояния структур. Предложена модель, связывающая образование зарядов разного знака с формированием в процессе модификации окисных слоев пространственно разнесенных областей SiOx. При этом область SiOx с х > 2 расположена на расстоянии ~ 10 нм от поверхности кремния и содержит отрицательно заряженные электрически активные центры, а область SiOx с х < 2 расположена на расстоянии 25−35 нм от кремния и содержит положительно заряженные электрически активные центры.