Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Векслер Михаил Исаакович. Исследование электрофизических и оптических характеристик кремниевых МОП структур с туннельно-тонким диэлектриком : диссертация... д-ра физ.-мат. наук : 01.04.10 Санкт-Петербург, 2006 230 с. РГБ ОД, 71:07-1/280

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1 Кремниевые туннельные МОП структуры: понятие, общие сведения,
история изучения
13

  1. Об определении и свойствах туннельных МОП структур 14

  2. Краткий исторический обзор 19

  3. Роль туннельной МОП структуры в современной полупроводниковой электронике 25

Выводы к Главе 1 30

2 Электрические характеристики приборов на основе туннельной МОП
структуры
31

  1. Сведения о технологии изготовления образцов 32

  2. Некоторые технические детали измерений 33

  3. Туннельные МОП диоды 34

  1. Случай умеренного легирования подложки 35

  2. Случай сильного легирования 40

2.4 Транзисторы с туннельным МОП эмиттером 44

  1. Входные и выходные характеристики. Режим оже-транзистора ... 45

  2. Утечки, неодномерные эффекты, воспроизводимость 50

  3. Замечание о дуальности полевого и биполярного МОП транзисторов 53

  1. Тиристоры 54

  2. Сравнение с данными других авторов 56

  3. Структуры с МДП эмиттерами, отличными от системы Al/Si02/Si .... 58 Выводы к Главе 2 62

3 Моделирование электрических характеристик туннельных МОП струк
тур в одномерном приближении
63

3.1 Основные физические вопросы 64

  1. Туннелирование через слой диэлектрика 67

  2. Туннелирование в полупроводнике 72

  3. Эффект квантования в обогащенном слое 75

  4. Эффект квантования в инверсионном слое 80

  5. Энергетическая релаксация инжектируемых электронов 84

3.1.6 Баланс неосновных носителей при обратном смещении 89

  1. Выбор параметров 91

  2. Вольтамперные характеристики туннельных МОП диодов 94

  3. Характеристики некоторых трехэлектродных МОП структур 97

  1. Транзистор с туннельным эмиттером Al/Si02/nSi 97

  2. Структуры с затвором из А1 и polySi в условиях равновесия 100

3.5 Эффекты, связанные с туннелированием в полупроводнике 102

  1. Двойное (тройное) туннелирование в МОП структуре 102

  2. Туннелирование зона-зона в кремнии 105

  3. Резонансный транспорт 108

Выводы к Главе 3 112

Электролюминесценция кремниевых туннельных МОП структур 113

  1. Общее описание эффекта люминесценции 115

  2. Техника записи спектров электролюминесценции 125

  1. Экспериментальная установка 125

  2. Математическая обработка результатов измерений 127

4.3 Экспериментальные спектры электролюминесценции 131

  1. Структуры Al/Si02/pSi, Al/Si02/nSi/p+Si, Al/Si02/pSi/ p+Si.... 131

  2. Структуры Al/Si02/nSi 134

  3. Наблюдение прямых излучательных переходов 136

АЛ Данные измерений интенсивности на фиксированной длине волны 138

4.5 Моделирование спектров люминесценции методом Монте Карло 143

Выводы к Главе 4 145

Деградация и пробой диэлектрика в туннельной МОП структуре 146

  1. Стойкость окисла к туннельному переносу заряда 147

  2. Наблюдение деградации электрических характеристик приборов 150

  3. Снижение инжекционной способности МОП эмиттера 154

  4. Влияние деградации на оптические характеристики 156

  1. Изменение интенсивности свечения 156

  2. Изменения формы спектров люминесце.нции 159

5.5 Поведение туннельной МОП структуры после мягкого пробоя 162

  1. Эффективное сопротивление и локализация пробитой области . . . 163

  2. Усиление и бистабильность МОП структуры после пробоя 168

  3. Искажение характеристик люминесценции 170

Выводы к Главе 5 173

Транзистор с туннельным МОП эмиттером как исследовательский ин
струмент
174

6.1 Уточнение параметров туннелирования через Si02 175

  1. Толщина туннельного барьера 175

  2. Эффективная масса дырки в тонком слое Si02 178

6.2 Измерение параметров релаксации горячих электронов в Si 185

  1. Квантовый выход оже-ионизации в кремнии 186

  2. Темпы генерации фотонов в кремнии 192

6.3 Исследования ресурса туннельно-тонких пленок окисла 195

Выводы к Главе 6 196

Заключение 198

Список работ, включенных в диссертацию 201

Библиография 210

Введение к работе:

Под туннельной МОП структурой (англ.: MOS tunnel structure) понимается структура Металл-Окисел-Полупроводник, перенос заряда через которую может осуществляться посредством прямого квантовомехани-ческого туннелирования. Толщина диэлектрика (БіОг) в таких структурах составляет менее 4 нм. Слово "полупроводник" в данном контексте почти всегда означает "кремний", в качестве "металла" обычно выступают А1, Аи или сильнолегированнный поликремний (polySi).

Туннельные МОП структуры представляют собой весьма интересные для изучения физические объекты, имеющие реальные перспективы приборных применений. Их поведение, особенно в режиме инверсии/обеднения, значительно отличается от поведения толстых МОП структур, поскольку протекание тока оказывает существенное влияние на распределение прикладываемого смещения. Потенциалом инверсионного слоя и, следовательно, величиной сквозного тока можно управлять во многом независимо от напряжения на всей структуре. Ввиду асимметрии туннелирования электронов и дырок, туннельная МОП структура на подложке nSi способна усиливать созданный в ней или введенный в нее дырочный ток. На этих принципах работают биполярные (фото)транзисторы с туннельным МОП эмиттером. Кроме того, как было недавно продемонстрировано, наличие туннелирования через окисел не является препятствием и на пути использования туннельной МОП структуры в качестве затворной секции полевого транзистора (с обычным управлением). Имеется также ряд других МОП приборов с туннельно-тонким диэлектриком: диоды, тиристоры, солнечные элементы.

Большое разнообразие весьма любопытных свойств туннельных МОП структур обусловлено инжекцией горячих носителей, которая имеет место практически всегда, так как напряжение на окисле реально составляет от долей до единиц Вольт. В процессе энергетической релаксации носителей в Si (чаще всего речь идет об электронах) происходят генерация новых электронно-дырочных пар, а также испускание световых квантов, то есть люминесценция. С помощью измерений на туннельных МОП структурах квантовый выход этих процессов может быть исследован количественно. Ток ударной генерации играет большую роль в

балансе токов в некоторых МОП приборах, а форма спектра излучения может служить своего рода индикатором состояния слоя SiCV

На определенном полуколичественном уровне некоторые из упомянутых деталей поведения туннельных МОП структур изучались ранее. Как представляется, на сегодняшний день необходимо пополнение и уточнение информации о влиянии различных параметров окисла и подложки на свойства приборов, в особенности при высоких плотностях тока. Важной задачей остается также усовершенствование моделей туннельной МОП структуры; они должны не только учесть туннелирование электронов через окисел, но и охватить ряд других эффектов (приповерхностное квантование, протекание тока из валентной зоны Si, туннелирование в кремнии, ионизационные процессы). Назрела необходимость достижения определенности в части параметризации туннелирования.

Настоящая работа посвящается комплексному исследованию электрических и оптических свойств туннельных МОП структур. Акцент делается на эффектах, обусловленных инжекцией горячих электронов из металла в кремний. Продольному (в плоскости структуры) переносу заряда, а также эффектам в обедненной области Si, напрямую не связанным с инжекцией, отводится менее важное место.

Актуальность научного направления и темы представляется неоспоримой. Основным аргументом в пользу актуальности является то, что в современных полевых транзисторах толщины реально применяемых подзатворных диэлектриков, неуклонно снижаясь в связи с общими тенденциями миниатюризации, приблизились к туннельному диапазону (1-3 нм). Поэтому круг затрагиваемых в данной работе вопросов представляет прямой интерес для физики и техники базового элемента всей полупроводниковой электроники - полевого транзистора.

Целью диссертационной работы являлось

  1. проведение подробного экспериментального исследования электрических характеристик диодов, транзисторов и тиристоров на основе туннельной МОП структуры - с уделением особого внимания инжекции горячих носителей в Si и эффектам их энергетической релаксации;

  2. разработка аналитической модели для расчета электрических характеристик туннельных МОП структур, пригодной для любых парамет-

ров (уровень легирования, толщина S1O2, материал верхнего электрода: металл/поликремний) и любых режимов смещения;

  1. комплексное изучение электролюминесценции кремниевых туннельных МОП структур: измерение и анализ спектров в различных режимах, сопоставление с данными для других излучающих кремниевых приборов и определение интенсивности свечения в абсолютных единицах;

  2. феноменологическое исследование следствий деградации и пробоя диэлектрика в приборах на основе туннельных МОП структур, а также выявление взаимосвязи между повреждением окисла и изменениями люминесцентных свойств образцов;

  3. анализ возможностей использования транзистора с туннельным МОП эмиттером как инструмента для измерения параметров туннели-рования (эффективных масс в окисле) и параметров энергетической релаксации горячих электронов в кремнии.

Основные положения, выносимые на защиту, и их новизна

  1. При положительном смещении на подложке туннельная МОП структура представляет собой инжектор квазимоноэнергетичных горячих электронов в кремний. Энергия инжекции Einj определяется разностью между уровнем Ферми металла и краем зоны проводимости Si за пределами инверсного или обогащенного слоя; она регулируется напряжениями на клеммах структуры и может на практике достигать нескольких эВ.

  2. Электрические и оптические (люминесцентные) свойства приборов на основе туннельной МОП структуры: туннельных диодов, транзисторов и тиристоров с туннельным МОП эмиттером, - в значительной степени определяются свойствами инжектора и условиями энергетической релаксации горячих носителей в кремнии.

  3. В обратносмещенной туннельной МОП структуре Al/Si02/nSi, благодаря совместному действию оже-ионизации атомов кремния инжектируемыми электронами и ударной ионизации, возникает положительная обратная связь по току, что приводит к бистабильности (а иногда и муль-тистабильности) структуры в некотором диапазоне напряжений.

  4. Коэффициент инжекции системы Al/Si02/nSi снижается при уменьшении толщины БіОг и при снижении легирования Nj) (в сопоставимых режимах). Это сказывается на усилении транзистора с туннельным

МОП эмиттером и на величине напряжения его переключения Vsw. Рост Vsw с уменьшением Nf) связан также с ослаблением поля в области объемного заряда, снижающим эффективность ударной ионизации.

  1. Туннелирование в подложке является важным механизмом переноса заряда в туннельной МОП структуре, в особенности при сильном легировании. Его модельный учет приводит к возрастанию предсказываемых сквозных токов. Туннелирование зона-зона в Si - при изгибе зон более Ед - способствует поддержанию инверсии. Еще одним эффектом туннелирования в полупроводнике является резонансный перенос электронов через дискретные квантовые уровни в области интерфейса Si/Si02-

  2. Разработанная модель позволяет проводить расчеты электрических характеристик туннельных МОП структур в самых различных ситуациях: любой уровень легирования, прямое или обратное смещение, металлический или поликремниевый электрод, любые режимы управления потенциалом инверсного слоя в подложке, - с претензией на количественную точность. При этом должны использоваться следующие значения параметров туннелирования: высоты барьеров как в толстой МОП структуре, эффективные массы в окисле для электронов те = 0.42шо и дырок ть = О.ЗЗтпо-

  3. Излучательные переходы в кремнии являются одним из важных каналов релаксации инжектируемых в МОП структуре электронов. Туннельные МОП структуры люминесцируют; форма соответствующего спектра зависит от Einj, а также (в случае инверсии) от величины электрического поля в обедненной области. Выделяются вклады разных механизмов люминесценции, в частности прямых внутризонных и рекомби-национных переходов, в полную интенсивность.

  4. Так как люминесцентные характеристики весьма чувствительны к повреждению Si02, их можно использовать для мониторинга деградации и пробоя туннельно-тонкого окисла.

  5. Стойкость туннельной МОП структуры к протеканию тока в режиме прямого туннелирования значительно выше, чем ее же стойкость (и чем стойкость структур с более толстым диэлектриком) в режиме инжекции Фаулера-Нордгейма. Величина заряда Qsbd, перенос которого приводит к пробою Si02, для случая прямого туннелирования может достигать 107 Кл/см2, что достаточно для приборных применений.

10. Транзистор с туннельным МОП эмиттером может служить удобным метрологическим инструментом для исследования параметров тун-нелирования и параметров энергетической релаксации электронов в кремнии. Определенное с его помощью значение эффективной массы дырок в тонком слое Si02 равно т^ — О.ЗЗто; величина квантового выхода P(Einj) оже-ионизации при E{nj ~ 1.5 эВ составляет единицы процентов.

Перечисленные положения сформулированы на основе новых результатов, полученных в диссертационной работе.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что в ней подробно теоретически и экспериментально исследован комплекс эффектов, связанных со сквозным переносом заряда в туннельной МОП структуре с толщиной пленки диоксида кремния 1-3 нм. Помимо традиционно рассматриваемого туннелирования электронов через Si02, проанализирован ряд дополнительных эффектов, таких как туннельный перенос заряда в кремнии, влияние дырочной компоненты туннельного тока, релаксация (в том числе через излучательные переходы) инжектируемых в Si горячих носителей. Кроме того, в работе было независимо определено несколько важных параметров Si и S1O2: эффективная масса дырок в тонком окисле, квантовый выход оже-ионизации в кремнии, темп испускания фотонов в кремнии. Проведенное исследование имеет значение для применений туннельной МОП структуры в качестве инжектора горячих носителей в Si, например в транзисторе с туннельным МОП эмиттером. Оно может также представить интерес для исследователей полевых транзисторов с подзатворным окислом нанометровой толщины.

Апробация работы - Результаты диссертационной работы докладывались на 1-й, 2-й и 3-й Российских Конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997), на "Humboldt-Kolleg Conference" (St.-Petersburg, 2005), а также на международных конференциях: International Conferences on Solid State Devices and Materials [SSDM] (Makhuhari, 1993; Yokohama, 1994), Japan; International Conference on the low-dimensional systems, Chernogolovka, Russia (1993); European Material Research Society [E-MRS] Spring Meetings, Strasbourg, France (1996; 1999); International Semiconductor Conference

[CAS], Sinaia, Romania (1996); International Conference on Microelectronics [MIEL], Nis, Yugoslavia (1997); International Conference on Simulation of Semiconductor Processes And Devices [SISPAD], Leuven, Belgium (1998); Conferences on INsulating Films On Semiconductors [INFOS], (Kloster Banz, Germany, 1999; Udine, Italy, 2001; Barcelona, Spain, 2003); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000; 2002); Workshop on Dielectrics in Microelectronics [WoDiM], Munich, Germany (2000); European Workshop on ULtimate Integration of Silicon [ULIS], Munich, Germany (2002); European Solid-State Device Research Conference [ESSDERC], (Firenze, Italy, 2002; Estoril, Portugal, 2003).

С использованием материалов диссертации автором сделано три приглашенных доклада: в Mikroelektronik Centret, Lyngby, Denmark (1999), в Max-Planck-Institut fur ExtraterrestrischePhysik, Miinchen,Germany (2000) и в Technische Fakultat der Universitat Kiel, Germany (2003).

Кроме того, результаты работы обсуждались на семинарах отдела Сильноточной Электроники ФТИ РАН.

Публикации - По материалам диссертации опубликовано 73 научных работы, в том числе 50 статей в реферируемых научных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Solid-State Electronics, IEEE Transactions on Electron Devices, Microelectronics Engineering и других.

Личный вклад автора - Представленные.результаты получены либо лично автором диссертации, либо при его активном участии. В случаях, когда в диссертации приводятся данные, вошедшие в публикации автора, но полученные другими соавторами, это оговаривается.

Структура и объем диссертации - Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографии. Ее полный объем составляет 230 страниц (печать через 1.5 интервала), количество рисунков 94, список литературы1 содержит 210 наименований.

1 Опубликованные работы самого автора в этот список не включены и перечислены - также в конце диссертации - отдельно. Ссылки на них, в отличие от ссылок на работы других авторов, в тексте сопровождаются звездочкой (например, [1*]).

Содержание работы

В настоящем введении в максимально сжатой форме описан предмет диссертационного исследования - туннельная МОП структура, очерчен круг затрагиваемых вопросов, объяснена их-актуальность, сформулированы цели работы, а также положения, выносимые на защиту. Кроме того, дана краткая общая характеристика диссертации и сообщены формальные сведения о ней (объем, число публикаций и т. п.).

Первая глава посвящена литературному обзору и истории исследования туннельных МОП структур. По ходу обзора приводится более подробное, чем во введении, описание свойств туннельной структуры, а также определяется ее роль в современной твердотельной электронике. Особое внимание уделяется публикациям, посвященным МОП структуре как инжектору и моделированию туннельных токов.

Во второй главе обсуждаются данные экспериментального исследования электрических характеристик приборов- на основе кремниевых туннельных МОП структур, изготовленных нами. Рассматриваются диоды, оже-транзисторы и тиристоры с туннельным МОП эмиттером. Отдельный параграф посвящен сильнолегированным структурам. Теоретические сведения в этой главе приведены лишь в минимальном объеме, необходимом для трактовки результатов измерений.

Третья, наибольшая по объему, глава содержит описание разработанных нами аналитических моделей и примеры результатов расчета электрических характеристик туннельных МОП структур. Обсуждаются формулы для токов через Si02, способы учета туннелирования в Si и резонансного туннелирования. В рамках моделей рассматриваются эффекты квантования в индуцированном инверсном/обогащенном слое, процесс релаксации носителей в кремнии, его влияние на баланс токов в режиме инверсии. Обосновывается выбор параметров.

Подобные работы
Лычагин Евгений Викторович
Исследование электрических и температурных характеристик планарно-диффузионных симисторных структур
Агафонов Александр Иванович
Перенос заряда в аморфных диэлектрических слоях структур металл-диэлектрик-полупроводник в сильных электрических полях
Ковчавцев Анатолий Петрович
Структуры металл - диэлектрик-полупроводник на основе арсенида индия
Тягинов Станислав Эдуардович
Влияние неоднородности толщины диэлектрика на свойства туннельных МОП структур Al/(1-4 нм)SiO2/Si
Ионов Александр Николаевич
Исследование проводимости и магнитопроводимости легированного германия в области перехода металл-диэлектрик
Шварц Максим Зиновьевич
Экспериментальные методы исследования характеристик гетероструктурных солнечных элементов и фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения
Тарасов Илья Сергеевич
Исследование излучательных характеристик гетероструктур InGaAsP/IпР и лазеров на их основе
Курятков Владимир Вениаминович
Разработка и исследование электрических и оптических характеристик фотодетекторов ультрафиолетового диапазона спектра на основе твердых растворов Al(x)Ga(1-x)N
Логинова Екатерина Александровна
Исследование электрических и электролюминесцентных характеристик гетероструктур на основе нитрида галлия
Уточкин Иван Геннадьевич
Исследование структурных и электрофизических характеристик пленок на основе Z-Si:H, полученных в плазме НЧ разряда

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net