Дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію - кремній та метал-кремній

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний університет імені І. І. Мечникова

УДК 537.311.33:622.382.33

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ В ШАРУВАТИХ СТРУКТУРАХ ДІОКСИД КРЕМНІЮ - КРЕМНІЙ ТА МЕТАЛ - КРЕМНІЙ

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

КУЛІНІЧ ОЛЕГ АНАТОЛIЙОВИЧ

Одеса - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України з науки і техніки, доктор фізико-математичних наук, професор Сминтина Валентин Андрійович, ректор Одеського національного університету імені І .І. Мечникова

Офіційні опоненти: лауреат Державної премії України з науки і техніки, доктор фізико-математичних наук, професор Вікулін Іван Михайлович, Одеська національна академія зв'язку імені О. С. Попова, завідуючий кафедрою фізики

доктор фізико-математичних наук, професор Сергєєва Олександра Євгеніївна, Одеська національна академія харчових технологій, завідуюча кафедрою фізики та матеріалознавства

доктор технічних наук, професор Марончук Ігор Євгенійович, Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості, завідуючий кафедрою фізики

Захист відбудеться 21 травня 2010 р. о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01 при Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова за адресою: 65082, м. Одеса, вул. Дворянська, 2 (Велика фізична аудіторія).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного університету імені І. І. Мечникова (65082, м.Одеса, вул.Преображенська, 24)

Автореферат розісланий «20»квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, к. ф.- м.н, доцент Федчук О.П

дефект кремній монокристалічний електрофізичний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На думку фахівців провідних підприємств та організацій розробників та виробників електронної техніки, кремній, завдяки своїм електрофізичним, механічним та технологічним властивостям, буде залишатись основним матеріалом для виробництва елементної бази сучасної електроніки ще як мінімум сто років. Перехід від мікронних та субмікронних розмірів елементів електронної техніки до нанорозмірних елементів пред'являє підвищені вимоги до структурної досконалості вихідного напівпровідникового матеріалу та технології виготовлення готових виробів. Якщо у випадку мікронних розмірів елементів у зоні просторового заряду одного структурного дефекту типу дислокації з крайовою межею розташувались до десяти елементів, то в випадку нанорозмірних елементів у зоні просторового заряду дефекту розташовані десятки тисяч елементів, провідність робочих зон яких може бути інвертована. Процент виходу придатних елементів при цьому суттєво знижується.

Шаруваті структури діоксид кремнію-кремній, які використовуються у сучасній інтегральній електроніці, представляють великий інтерес у зв'язку з можливістю формування в цих структурах вбудованих індукованих бар'єрних областей, що можуть використовуватись для дослідження напівпровідників, діелектричних фаз та меж поділу. На електрофізичні параметри приладних систем впливають як характеристики вихідного напівпровідникового, діелектричного матеріалів та меж поділу, так і їх дефектність. Постійно зростаючі вимоги до надійності параметрів структур та систем на їх основі вимагають не тільки застосування новітніх технологій, але і подальшого експериментального та теоретичного дослідження процесів дефектоутворення, що дасть можливість ввести додаткові операції контролю, які дозволять відбракувати ненадійні структури після окремих технологічних операцій. Такі дослідження необхідні, зокрема, для підвищення надійності та стабільності параметрів кремнієвих польових МОН (метал-оксид-напівпровідник) та фотоприймальних систем. Попередні дослідження механічних властивостей нанорозмірних структур показали, що всі закономірності дефектоутворення у мікророзмірних структурах реалізовані у нанорозмірних структурах. Це стосується як механізму пластичної деформації, так і механізму релаксації механічних напружень. В зв'язку з цим вивчення процесів дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній та метал-кремній та приладних системах на їх основі різних розмірів є актуальним.

До теперішнього часу електрофізичні та дефектні властивості шаруватих структур діоксид кремнію-кремній та метал-кремній та систем на їх основі вивчені не достатньо повно. Так, зокрема, не були вирішені ряд експериментальних та теоретичних задач, пов'язаних з більш детальним вивченням приповерхневих шарів кремнію в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній та метал-кремній, та позв'язані з цією проблемою процеси дефектоутворення та моделювання процесу струмоперенесення в приладах на їх основі. Крім цього, вимагає вирішення задача вивчення механізмів виникнення та властивостей макродефектів у вигляді дефектів шаруватої недосконалості, дендритів та двійникових ламелей. Залишаються не вирішеними задачі про вплив структурних макродефектів («чистих» або преципітованих) на параметри приладних польових МОН та фотоприймальних систем з врахуванням впливу точкових дефектів на параметри структурних макродефектів.

Залишається відкритим питання про підвищення виявляючих властивостей хімічних селективних травників, які дозволили б у комбінації з сучасними електронними та електрофізичними методами досліджень більш детально вивчити тонку структуру дефектів та склад приповерхневої області кремнію в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній та метал-кремній, в яких здійснюється процес струмоперенесення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження є складовою частиною комплексних науково-технічних програм з приорітетних напрямків розвитку науки і техники, які виконувались протягом 1983-2008 рр. в лабораторії ФОЕТ і Навчально-науково-виробничому центрі Одеського національного університету ім.І.І.Мечникова в межах таких госпдоговірних і бюджетних тематик:

1. «Исследование радиационных эффектов на границе диэлектрик- -полупроводник», № ГР0100U001541.

2. «Исследование и разработка оптимального состава омических контактов и условий их формирования к варикапным структурам со сверхрезкой зависимостью емкости от напряжения», № ГРОЛЭТ-091.

3. «Теоретические и экспериментальные исследования возможности создания кремниевых планарных СВЧ диодов Шоттки для ИС И2ЛШ», № ГРОЛЭТ-918.

4. «Исследование влияния дефектности эпитаксиальных пленок и пассивации кремния на электрические характеристики СВЧ ДШ на кристалле», № ГРОЛЭТ-916.

5. «Исследование электрофизических и кристаллографических параметров высокоомного кремния и кремниевых однослойных эпитаксиальных структур (ВКС) с целью повышения надежности кремниевых фотодиодов», № ГР0100U001662.

6. «Исследование зависимости электрических параметров и надежности параметров МДП - транзистора, используемого в качестве детектора гамма-излучения, от электрофизических свойств кремния и диоксида кремния», № ГР0100U001684.

7. «Дослідження аддитивного вкладу у результуючий відгук приповерхневих станів у структурах оксид кремнію-кремній при опроміненні іонізуючим випромінюванням”, № 0103U007549.

8. «Создание обобщенной теории магниточувствительных структур»,№ 0103U007548.

9. «Дослідження радіаційних дефектів на межі поділу діелектрик-напівпровідник», № 0203U006547.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є з'ясування закономірностей процесів дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній і метал-кремній і приладних системах на їх основі, встановлення механізмів впливу дефектів на електрофізичні характеристики, моделювання процесів струмоперенесення в цих структурах та системах, розробка методів отримання структур та приладних систем з мінімальною густиною дефектів та стабільними параметрами.

Для досягнення мети вирішувались такі завдання:

- за допомогою сучасних методів досліджень, таких як електронна скануюча мікроскопія з рентгенівським мікроаналізом, Оже-електронна спектроскопія, вторинна іонна мас- спектрометрія у комбінації з методами хімічного селективного травлення, встановити основні закономірності формування дефектів в епітаксіальному, монокристалічному кремнію та в епітаксіальних високоомних одношарових кремнієвих структурах (ВКС); - з'ясувати механізм виникнення та властивості макродефектів у вигляді дефектів шаруватої недосконалості, дендритів, двійникових ламелей, які суттєво впливають на процеси дефектоутворення та на параметри структур і приладних систем на їх основі;

-виявити основні джерела нестабільності параметрів структур діоксид кремнію-кремній та зв'язок цих джерел з дефектністю шарів діоксида кремнію;- на основі теоретичних та експериментальних досліджень розробити топологічну модель кремнієвої МОН-структури та фізико-математичну модель процесу струмоперенесення в польовій МОН-системі з використанням діючих наближень та результатів досліджень складної реальної структури приповерхневої області кремнію;

- встановити механізм фотолюмінесценції приповерхневих шарів кремнію в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній;

- визначити механізми впливу точкових мікродефектів на основні параметри кінцевих приладних польових МОН- і pin-фотоприймальних систем;

- розробити метод підвищення виявляючої здібності селективних хімічних травників, які дозволять разом з сучасними методами досліджень виявляти дефекти, які неможливо виявити звичайними методами;

- розробити механізм накопичення додаткового радіаційно-індукованого позитивного заряду при опроміненні кремнієвих польових МОН-систем іонізуючим (гама, рентгенівським та нейтронним) випромінюванням, оснований на існуванні в приповерхневій області кремнію шару розупорядкованого кремнію, який вміщує розірвані або «ненасичені» зв'зки і які утворюють енергетичні стани в забороненій зоні кремнію;

- розробити фізико-математичну модель струмоперенесення в контактах метал- напівпровідник в межах існуючих теорій струмоперенесення з врахуванням реальної структури приповерхневої області напівпровідника.

Об'єктом досліджень є кремнієві шаруваті структури діоксид кремнію-кремній, метал- кремній, pin-фотоприймальні та польові МОН-системи на їх основі.

Предметом досліджень дисертаційної роботи є процеси дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній та метал-кремній та приладних системах на їх основі; структурні і фотолюмінесцентні властивості приповерхневих шарів кремнію в структурах діоксид кремнію-кремній і метал-кремній, розробка моделей струмоперенесення; процеси впливу дефектів на параметри польових МОН- та фотоприймальних систем; методи підвищення виявляючої здібності селективних хімічних травників.

Методи досліджень дисертаційної роботи базуються на використанні сучасних методів, таких як електронна скануюча мікроскопія (РЕМП) (прилад - електронний скануючий мікроскоп аналізатор «Cam Scan-4D» з системою енергетичного дісперсійного аналізатора «Link-860» з використанням програми « Zaf », чутливість прилада є 0,01 % по масі, діаметр пучка - от 5· 10^-9 до 1 ·10^{- 6} м); Оже-електронна спектроскопія (ЕОС) (прилад - спектрометр LAS-3000 фірмы «Riber», просторова роздільна здатність - 3 мкм, енергетичне розділення аналізатора - 0,3 %) ; вторинна іонна мас-спектрометрія (ВІМС) (прилад - аналізатор «Cameca--3F»); рентгенівський дифракційний метод досліджень Фудживара; методи спектрального аналізу фотолюмінесценції, амплітудний спектр фотолюмінесценції (ФЛ) вимірювали за допомогою спектрометра типу ДФС (дифракційний фотоспектрометр) з фотопомножувачем типу ФЕП у режимі стробування і рахування фотонів після пошарового селективного травлення при опроміненні лазером з довжиною хвилі 337 нм, довжиною імпульсів 10 нс, частота повторення 50 Гц та середня потужність 10 мВт; метод ІЧ-спектроскопії (прилад -спектрометр ІКС-29); оптичні методи досліджень за допомогою металографічного мікроскопа ММР-2Р; методи досліджень за допомогою вимірення вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик (за спеціально розробленими схемами); методи хімічного селективного травлення Секо і Сіртля.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що в ній: 1. За допомогою теоретичних та експериментальних методів досліджень встановлені властивості та визначена топологічна модель реальної МОН-структури, яка основана на результатах досліджень механізма виникнення пластичної деформації на межі поділу діоксид кремнію-кремній, що призводить до виникнення перехідної області кремнію, яка складається з області розупорядкованого кремнію та області, що вміщує дислокаційні сітки. Вперше показано, що на межі розупорядкованого кремнію і області, яка вміщує дислокаційні сітки, відбувається стрибок густини рівнів захвату електронів.

2. Вперше розроблена модель струмоперенесення в наближенні плавного каналу в реальних польових МОН-системах, яка основана на результатах досліджень приповерхневої області кремнію в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній. Модель побудована на основі експериментального встановленого факту існування у приповерхневій області кремнію шарів з різною провідністю. 3. Виконано порівняльний аналіз дефектності пластин монокристалевого, епітаксіального кремнію та кремнієвих одношарових високоомних епитаксіальних структур (ВКС), показано роль цієї дефектності в процесах дефектоутворення у структурах та системах на їх основі. Встановлено вперше, що структурні макродефекти впливають на величину перехідної області в структурі діоксид кремнію-кремній, внаслідок виникнення додаткової деформації, яка генерувалась при прискоренній дифузії кисню вдовж структурних мародефектів у процесі окислення та утворення оксидів кремнію.

4. Запропоновано механізм формування властивостей макродефектів у вигляді дефектів шаруватої недосконалості, дендритів та двійникових ламелей в кремнію. Встановлено, що дефекти шаруватої недосконалності виникають внаслідок шаруватої структури пластин кремнію в місцях скупчення структурних макродефектів. Вивчена тонка структура, склад дендритів та двійникових ламелей, визначені температури їх дисоціації. Визначено, що дендріти складаються зі скупчення атомів лужних металів Na або К або їх солей (NaCl или KCl), а двійникові ламелі складаються зі скупчення міжвузольних атомів кремнію.

5. Визначені механізми впливу структурних макро та мікродефектів на параметри кремнієвих польових МОН- та pin-фотоприймальних систем з врахуванням впливу параметрів мікродефектів типу домішків кисню на електричні параметри структурних макродефектів. Показано, що основні параметри вказаних систем залежать від часу життя та часу вільного пробігу носіїв зарядів, які, в свою чергу, залежать від виду та густини макродефектів, параметри яких визначаються умовами преципітації та розподілу атомів легуючої домішки по поверхні та в об'ємі пластин кремнію.

6. Вперше запропоновано та апробовано метод підвищення ефективності виявлення дефектів, який полягає у використанні попередньої хімічної обробки пластин кремнію в суміші Каро та перекисноаміачному розчині перед обробкою у селективному хімічному травнику та з наступним використанням електронної скануючої мікроскопії. Використання такої попередньої обробки дозволило підсилити процеси окислення з послідуючим поліпшенням процесу травлення утвореного оксида кремнію.

7. Вперше визначено, що механізм формування фотолюмінесценції хімічно модифікованої приповерхневої області кремнію в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній, обумовлений наявністю кремнієвої острівкової структури та рекомбінацією в умовах підвищеної напруженості електричного поля. Встановлено, що при збільшені товщини діоксида кремнію максимум розподілу кількості острівкового кремнію по розмірам зсувається в бік зменшення розмірів острівків, що у відповідності з квантово-розмірною теорією збільшує квантово-енергетичну щілину між енергетичними рівнями. Це призводить до зсуву максимума інтенсивності спектру фотолюмінесценції у короткохвильову область спектра.

8. В результаті комплексного аналізу процесів деградації параметрів кремнієвих польових МОН- та pin-фотоприймальних систем, яка обумовлена дефектністю кремнієвих пластин та утворенням інтерметалічних та силіцидних сполук, що пов'язано з недоліками технологічних процесів їх виготовлення, встановлено, що у місцях знаходження структурних макродефектів має місце підвищена адгезія метала до кремнію. На межі цих областей відбувається накопичення механічних деформацій, величина яких може перевищувати межу пластичної течії кремнію або металу, що призводить до руйнування контактного з'єднання. При утворенні інтерметалічних та силіцидних сполук погіршуються механічні та провідні властивості металічних струмопровідних доріжок та з'єднань, що змінює параметри структур та систем на їх основі.

9. Визначено механізм накопичення додаткового позитивного заряду при опроміненні польових кремнієвих МОН-систем іонізуючим випромінюванням, показана роль приповерхневої області кремнію в цих процесах. Встановлено, що приповерхнева область кремнію має дрібноблочну структуру, розорієнтовану під різними кутами, а глибокі енергетичні стани, пов'язані з ними, розташовані у забороненій зоні кремнію, де при дії іонізуючого випромінювання локалізуєтся позитивний заряд.

10. На основі експериментального встановленого факту присутності на межі поділу металу та кремнію перехідного шару, який складається з шару розупорядкованого кремнію та області, яка вміщуює дислокаційні сітки, утворені 60⁰-ми дислокаціями, вперше розроблена та застосована модель струмоперенесення в структурах метал-кремній. Завдяки тому, що товщина шару розупорядкованого кремнію набагато менша, ніж товщина шару з дислокаційними сітками та менша за товщину зони просторового заряду, розглядається струмоперенесення крізь паралельні дислокаційні сітки відповідно до термоелектронного, дрейфово-дифузійного та тунельно-резонансного механізмів. На основі отриманих виразів здійснена оцінка впливу на струмоперенесення як декількох дислокаційних сіток, так і окремих дислокацій.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

1. Розроблена модель струмопереносу в реальних польових МОН-системах дозволяє прогнозувати та оптимізувати електрофізичні параметри і характеристики, такі як струм стоку, диференційний опір, а також більш детально вивчити властивості різних структур, які складають ці системи.

2. Детальне дослідження електрофізичних, структурних та фотолюмінесцентних властивостей приповерхневих областей в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній дозволяє прогнозувати появу нового класу напівпровідникових оптичних випромінювачів оптичного діапазону.

3. Розроблено і продемонстровано новий спосіб виявлення дефектів, який полягає в комбінованому використанні попередньої хімічної обробки перед застосуванням селективного хімічного травлення з послідуючим використанням скануючого електронного мікроскопу з попередньо розрахованою енергією пучка електронів, до значень енергій меньш 3 кеВ.

4. Виконано дослідження причин деградації параметрів польових МОН- та pin-фотоприймальних систем, яке дозволило ввести додаткові операції контролю та додаткові технологічні операції виготовлення, що дозволять запобігти виникненню інтерметалічних та силіцидних з'єднань та зменшити вплив дефектів у приповерхневих областях кремнію та в його об'ємі.

5. Запропоновано технологію виготовлення детекторів поглиненої дози іонізуючих випромінювань на основі використання польових МОН-систем, що основана на звичайній планарній технології з додатковими операціями контролю та технологій, що дозволило виготовити прилади з необхідними термопольовими стабільними та радіаційними параметрами. На основі запропонованої технології та методів контролю (що дозволило відбракувати ненадійні структури після кожної технологічної операції) виготовлені детектори поглиненої дози іонізуючих випромінювань на основі використання польових кремнієвих МОН-систем кільцевої топології з параметрами каналу: (W / L) = 100, де (W / L) - відношення ширини каналу до його довжини, лігування під омічні контакти п⁺ ~ 10 ²⁴ м -³, товщина окислу ? 1мкм. Отримані значення радіаційної чутливості на рівні 3 мВ / рад, при цьому коефіцієнт температурної нестабільності не перевищував 10 мВ / град, що в декілька разів краще, ніж у кращих закордонних аналогів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто в процесі тривалих (більш 20 років) досліджень. Роботи [5, 10, 11, 15, 50, 58] виконані автором особисто. Особистий внесок в інші роботи, виконані в співавторстві та включені в дисертацію, полягає у формуванні наукового направлення, розробці фізичних ідей, постановці задач, виборі методів досліджень та їх реалізації, проведенні описаних в роботі теоретичних та експериментальних досліджень та у самостійному узагальненні результатів досліджень [1- 4, 6 - 9, 12 - 14, 16 - 49, 51 - 57, 59 - 66]. Дисертант був науковим керівником та відповідальним виконавцем вищеперелічених науково-дослідних тем. Автор особисто доповідав свої роботи на більшості конференцій, де вони представлялися. Основні положення дисертації повністю викладені у наведених нижче основних наукових публікаціях. Апробація результатів дисертації. Результати роботы представлялися і обговорювалися на 45 Міжнародних та інших конференціях, сімпозіумах та семінарах, серед яких: Всесоюзная конференция «Физика и применение контакта металл-полупроводник» (Киев, 1987 г.); Х-я Всесоюзная конференция «Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве. Тензометрия-89» (Свердловск, 1989 г.); 4-я республиканская научно-техническая конференция «Физические методы диагностирования в задачах управления качеством и надёжностью. Физика отказов» (Чернигов, 1989 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция «Микроэлектроника в машиностроении» (Ульяновск, 1989 г.); ХХХ-й Постоянный семинар по моделированию на ЭВМ радиационных и других эффектов в кристаллах (Одесса, 1990 г.); VI-я Республиканская конференция «Физические проблемы МДП-интегральной электроники (Севастополь, 1990 г.); 3-я Всесоюзная конференция «Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинёв, 1991 г.); Научно-технический семинар «Состояние элементной базы, технологи производства и контроля изделий электронной техники» (Пенза, 1991 г.); Всесоюзная конференция «Сенсор-91» (Ленинград, 1991 г.); Научно-технический семинар «Физические основы деградации и надёжности полупроводниковых приборов» (Москва-Горький, 1991 г.); Международная сессия Японского научного общества «SICE» (Йонедзава, Япония, 1991 г.); Международная конференция «IECON-91» (Кобе, Япония, 1991г.); Международный симпозиум по промышленной электронике (Сиань, Китай, 1992 г.); Научно-техническая конференция «Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов» (Нижний Новгород-Астрахань, Россия, 1992 г.); 2-я Генеральная конференция Балканского физического общества (Измир, Турция, 1994 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция «Комплексное математическое и физическое моделирование электронных приборов и аппаратуры» (Бердянск, Россия, 1994 г.); Научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение-94» (Новый Свет, Крым, 1994 г.); Международная конференция «The I^th Workshop Sensors Springtime in Odessa (Одесса, 1998 г.); Международная конференция «The 2^th Workshop Sensors Springtime in Odessa (Одесса, 1999 г.); Научная конференция с международным участием УНКФН-1, (Одесса, 2002 г.); Научно-техническая конференция с международным участием СИЭТ-2003 (Одесса, 2003 г.); Международный симпозиум «The 46- th IEEE International Midwest Symposium On Circuits and Systems» (Cairo-Egypt, 2003); Международная конференция ICRS-2004 (Madeira - Portugal, 2004); 5-я Международная научно-практическая конференция СИЭТ-2004 (Одесса, 2004 г.); Международная научно-техническая конференция «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (СЭМСТ-1) (Одесса, 2004 г.); 3-я Международная научно-техническая конференция СЭМСТ-3 (Одеса, 2008, г.); Международная конференция 14-th International Conference on Solid State Dosimetry (Connecticut, USA, 2004); Международная конференция «The Chinese Control Conference» (CCC-2004) (Wuxi, China, 2004); 14-я Международная Крымская микроволновая конференция СВЧ-техника и микроволновые технологии (КрымМиКо-2004) (Севастополь, 2004 г.); Вторая Украинская научная конференция по физике полупроводников (УНКФН-2) (Черновцы, 2004 г.); Международная конференция «International conference on computational intelligence» (ICCI-2004) (Istanbul, Turkey, 2004); 6-я Международная научно-практическая конференция СИЭТ-2005 (Одесса, 2004 г.); 10-я Международная конференция МНТКФТП, (Ивано-Франковск, 2005 г.); Международная конференция КРЫМИКО-2005 (Севастополь, 2005 г.); 1-й Всеукраинский съезд «Фізика в Україні» (Одесса, 2005 г); 7-я Международная научно-практическая конференнция СИЭТ-2006 (Одесса, 2006 г.); 2-я Международная научно-техническая конференция СЭМСТ-2 (Одесса, 2006 г.); 16-я Международная микроволновая конференция КРЫМИКО-2006 (Севастополь, 2006 г.); 8-я Международная научно-практическая конференнция СИЭТ-2007 (Одесса, 2007 г.); 3-я Украинская научная конференция по физике полупроводников (УНКФН-3) (Одесса, 2007 г.); 17-я Международная микроволновая конференция КРЫМИКО-2007 (Севастополь, 2007 г.); Международная конференція 15-th International Conference on Solid State Dosimetry (Netherland,2007); 9-я Международная научно-практическая конференнция СИЭТ-2008 (Одесса, 2008 г.); 3-я Международная научно-техническая конференция СЭМСТ-3 (Одесса, 2008 г.); 18-я Международная микроволновая конференция КРЫМИКО-2008 (Севастополь, 2008 г.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені у 66 наукових друкованих працях (з них 34 статті у фахових журналах України та інших держав і трудах конференцій, які визнані як фахові), 2-х авторських свідоцтвах, 30 тезах доповідей на Міжнародних та інших конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 207 найменувань. Загальний обсяг роботи складає 306 сторінок та 103 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, розкрита суть наукової проблеми, якій присвячено дисертаційне дослідження, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, показано зв'язок з науковими темами, програмами. Визначені об'єкти, предмети і методи досліджень, реалізація і апробація отриманих результатів, структура дисертації.

У першому розділі - «Проблеми вивчення процесів дефектоутворення у вихідному кремнію, шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній, метал-кремній, в кремнієвих польових МОН- і pin-фотоприймальних системах» представлено літературний огляд стану досліджень процесу дефектоутворення в напівпровідниках, зокрема, у кремнії, в шаруватих структурах діелектрик-напівпровідник, а також в приладних системах на їх основі. Проаналізовано стан проблеми вивчення процесів дефектоутворення та електофізичні властивості дефектів в напівпровідниках, зокрема, у кремнію. Представлено огляд основних модельних уявлень дефектів у напівпровідниках. Показані основні невирішені проблеми дефектоутворення в кремнію, пов'язані зі з'ясуванням механізму виникнення та властивостей макродефектів типу дефектів шаруватої недосконалості, дендритів та двійникових ламелей. Проаналізовано стан проблеми дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію- кремній та метал-кремній. Наведені основні результати досліджень складу шаруватих структур діоксид кремнію-кремній, які виготовлені при різних умовах вирощування діоксида кремнію. Визначена роль воднево- та кисневомістких сполук і лужних металів в процесах накопичення та зміни густини поверхневих станів на межі поділу діоксид кремнію-кремній. Привернута увага до невирішених проблем в цьому напрямку, в тому числі проблемі вивчення впливу різних факторів на рівень механічного напруження та деформацій, від якого залежать властивості та параметри структури приповерхневої області кремнію. Аналізуються особливості дефектоутворення в кремнієвих МОН-системах, пов'язані з фізико-механічними та технологічними причинами, які залежать від технологічних недоліків процесів виготовлення проміжних структур та кінцевих приладів. Визначена роль властивостей та складу приповерхневої області кремнію в структурах діоксид кремнію-кремній в процесі струмоперенесення в польових кремнієвих МОН-структурах. Аналізуються особливості дефектоутворення в кремнієвих pin-фотоприймальних системах, пов'язані з присутністю високоомної i-області, в якій спостерігаються процеси подвійної інжекції і на провідність якої впливають дефекти. Цей вплив, при визначеному типі та поверхневій густині дефектів, може призвести до суттєвої зміни основних дефектозалежних параметрів pin-фотоприймальної системи, таких як коефіцієнт підсилення струму та коефіцієнт квантової ефективності. У другому розділі - «Особливості дефектоутворення у вихідному монокристалічному та епітаксіальному кремнію» наведено опис використаних зразків вихідного монокристалічного, епітиксіального кремнію та високоомних одношарових епітаксіальних структур, шаруватих структур діоксид кремнію-кремній та приладних систем на їх основі. Приведено опис основних застосованих методів досліджень процесів дефектоутворення у досліджених структурах та системах, які базуються на використанні сучасних електронних, електрофізичних та хімічних методів досліджень. Показано, що використання цих методів у визначенній комбінації з застосуванням попередньої хімічної обробки та точним вибором необхідних режимів електронного сканування дозволило підвищити можливості оптичного виявлення дефектів, дослідити тонку структуру та умови преципітації дефектів. Проведено порівняльний аналіз процесів дефектоутворення у монокристалічному, епітаксіальному кремнію та високоомних одношарових епітаксіальних структур (ВКС). На рис.1 представлена типова картина розподілу дислокацій по поверхні монокристалічного кремнію КЕФ-4,5 (111), отримана після попередньої обробки сумішу Каро та перекисноаміачним розчином з послідуючою обробкою хімічним селективним травником Сіртля за час 2 хвилини. Зображення отримано за допомогою електронного скануючого мікроскопа в режимі провідності з енергією пучка електронів ~ 2,3 КеВ. Проведений якісний та порівняльний аналіз провідності домішки, яка декорує дислокацію у вихідному кремнію, дозволив зробити висновок, що декоруючою домішкою є атоми кисню, які знаходяться в електрично неактивному стані. На цьому рисунку світлі області відповідають областям із відносною зниженою провідністю, темні області відповідають областям із відносно доброю провідністю. У монокристалічному та епітаксіальному кремнію добре спостерігається тенденція до утворення мультіструктури дислокацій. Густина дислокацій збільшувалась від середини пластин у напрямку їх краю, де спостерігалось додаткове скупчення дислокацій, які утворюються при скрайбуванні пластин кремнію (рис. 2). Как в монокристалічному так і в епітаксіальному кремнію спостерігались кластерні скупчення атомів калію, натрію та хлору. Якщо концентрація цих атомів дорівнює межі розчину цих атомів у кремнію, то спостерігалось виникнення твердих розчинів у вигляді дендритних утворень, які важко спостерігати за допомогою звичайного мікроскопа, але добре спостерігаються за допомогою електронного мікроскопа після попередньої обробки та обробки у селективних хімічних травниках.

При нагріванні кремнієвих пластин з дендритами до температури 573 К та після віддалення окисної плівки спостерігались процеси дисоціації дендритів з утворенням кластерних сполучень. При подальшому нагріванні пластин кремнію з дендритами до температур біля 673 К кластерні сполучення розпадаються на дефекти у вигляді домішкових хмар, які складаються з домішкових міжвузольних точкових мікродефектів. Макродефекти у вигляді двійникових ламелей складалися із надлишкових міжвузольних атомів кремнію і були більш стійки до температурного впливу (~ 773 К) та не потерпали змін. Характерною особливістю пластин як монокристічного так і епітаксіального кремнію була присутність областей сильно розупорядкованого кремнію (смуга 2 Si) розмірами до 1000 мкм, які утворюються в процесі виготовлення вихідного кремнію, якщо відбувається відхіл технологічних режимів виготовлення від заданих режимів.

Типовим видом дефектів як у монокристалічному, так і в епітаксіальному кремнію є не тільки дислокації та дендрити, а дефекти шаруватої недосконалості. При дослідженні властивостей дефектів шаруватої недосконалості в пластинах кремнію встановлено, що ці дефекти не представляють окремі дефекти, а їх зображення виникає при травленні пластин шаруватого кремнію в районі скупчення макродефектів типу дислокацій або дефектів пакування. Шарувата структура пластин кремнію виникає в процесі виготовлення внаслідок відхилення температурного градієнта від заданого значення та появи радіальних складових градієнту температури та добре спостерігається на сколі пластини кремнію. На цьому зображенні добре спостерігається шарувата структура пластини кремнію, що і проявляється в процесі селективного травлення у вигляді концентричних кілець. При нагріві пластин кремнію з шаровими дефектами недосконалості до температур (373ч873) К в вакуумі (до 10^-6 мм) електронне зображення дефектів зникало, що пов'язувалось з появою в районі дефектів окисної плівки, яка виникла внаслідок термодіфузії кисню з об'єму кремнію до поверхні або внаслідок адсорбції кисню з окружаючої атмосфери. В центрі дефектів шаруватої недосконалості спостерігалась підвищена концентрація кисню (до 6 атомних %). Обговорюються аспекти впливу вихідних дефектів типу дислокацій та шаруватої структури пластини на поріг пластичної течії кремнію. Відмічено, що в районі ядер дислокацій та на межах сусідних шарів накопичуються механічні напруження і деформації, що, поряд з іншими причинами, знижує поріг пластичної течії кремнію, а неконтрольовані домішки у вихідному кремнію в процесі окислення локалізуються в діоксиді кремнію та на межі поділу структур діоксид кремнію-кремній, що змінює їх основні параметри. Встановлено, що основною рисою для всіх досліджених іонно-легованих пластин монокристалічного та епітаксіального кремнію є відсутність впливу окремих макродефектів типу дислокацій на розподіл легуючої домішки по поверхні пластин кремнію.

У третьому розділі - «Дефектоутворення в шаруватих структурах діоксид кремнію-кремній» наведено причини деградації параметрів структур діоксид кремнію-кремній, пов'язані з присутнітю іонів лужних металів в діоксиді кремнію та на межі поділу діоксид кремнію-кремній, виконано порівняльний аналіз струкутури та властивостей високотемпературного та низкотемпературного діоксида кремнію, висвітлюються механізми утворення дефектної структури в кремнію на межі поділу діоксид кремнію-кремній та метал-кремній, обговорюються фотолюмінесцентні та радіаційні властивості цієї області, пов'язані з присутністю острівкового кремнію та енергетичних станів в забороненій зоні кремнію. Проведено моделювання процесу струмоперенесення в структурах метал-кремній з врахуванням реальної структури приповерхневої області кремнію. Однією з причин виникнення деградації параметрів структур діоксид кремнію-кремній є іони лужних металів (калію та натрію), які переміщуються в діоксид кремнію та на межу поділу діоксид кремнію-кремній в процесі окислення із вихідного кремнію. Атоми лужних металів у вихідному кремнію утворюють дендритні сполуки або накопичуються в районі розташування структурних макродефектів, у центрі дефектів шаруватої недосконалості. Експериментально встановлено, що атоми лужних металів (К, Na) в процесі окислення іонізуються та дифундують в діоксид кремнію та на межу поділу діоксид кремнію-кремній з кремнієвих пластин та з окружної оснаски. Внаслідок цього процесу відбуваеться зміна зарядових станів на межі поділу діоксид кремнію-кремній і зміна порогової напруги, що призведе до зміни вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик МОН-структур та польових систем на їх основі.

Атоми лужних металів та дефекти у вихідному кремнію служать джерелом виникнення кристалічної фази в аморфному діоксиді кремнію, причому в низкотемпературному діоксиді кремнію атоми лужних металів утворюють кристалічні низкотемпературні оксиди (кристобаліти), з яких у процесі окислення видавлюються атоми лужних металів та замінюються на атоми кремнію. Таким чином, атоми лужних металів присутні в аморфному діоксиді кремнію у вільному стані, маючи малу енергію іонізації та маючи малу енергію активації переміщення в діоксиді кремнію, під дією зовнішньої електричної напруги та температури, локалізуються на межі поділу структур діоксид кремнію-кремній, змінюючи їх характеристики і параметри. При хімічному травленні діоксида кремнію в розчині плавикової кислоти (HF) виявлено, що швидкість травлення діоксида кремнію в районі кристобаліта найбільша за швидкість травлення у вільній від кристобалітів області, що підтверджує факт присутності на межі кристобаліт - діоксид кремнію значних механічних напружень та деформацій (рис.10). Коефіцієнт дифузії хімічних травників в цій області вище, ніж в інших областях, що і призводить до більшої швидкості травлення в районі кристобаліта. Встановлена кореляція між динамікою роста діоксида кремнію та структурой приповерхневої області кремнію. На межі області сильно розупорядкованого кремнію та області, яка вміщує дислокаційні сітки спостерігається стрибок у густині рівнів захоплення електронів, який виникає внаслідок стрибка рівня механічних напружень та деформацій. Стрибок рівня механічної напруги виникає внаслідок появи додаткового механічного напруження при прискореній дифузії кисню вздовж дислокацій у вихідному кремнію за основним фронтом високотемпературної дифузії. Таким чином, в якості причин фазового та структурного поліморфизму (виникнення аморфного діоксида кремнію та дефектної структури приповерхневої області кремнію) поверхні кремнію при окисленні виступають процеси, які призводять до появи механічних напружень та пластичної деформації кремнію. Величина цих механічних напружень залежить від параметрів процесу окислення, параметрів виникненного діоксида кремнію і кремнію, товщини діоксида кремнію та наяності дефектів у вихідному кремнію.

Після видалення шару діоксида кремнію з поверхні кремнію за допомогою плавикової кислоти та обробки поверхні кремнію хімічним селективним травником Сиртля або Секо спостерігалась поява ямок неправильної форми, що не відповідали дислокаційним ямкам. Ямки неправильної форми виникли внаслідок травлення діоксида кремнію, який утворився внаслідок прискоренної дифузії кисня вздовж дислокацій у вихідному кремнію. Спроби роздивитися поверхню кремнію за допомогою електронного скануючого мікроскопа виявились марними, оскільки поверхня кремнію сильно заряджалась, що не дозволило отримати пучок видбитих чи вторинних електронів. Це дало можливість зробити висновок, що поверхня кремнію під діоксидом кремнію мала сильно розупорядковану структуру, близьку до полікристалічної. Якщо прийняти до уваги, що механічні напруження зменьшуються вглиб кремнію за законом 1/r, можна зробити висновок, що більш розупорядкований шар кремнію прилягає безпосередньо до діоксида кремнію. При подальшому травленні поверхні кремнію селективним травником спостерігалась поява дефектів у вигляді дислокаційних сіток, які були декоровані окислами SiO_х.. На користь цього твердження говорить той факт, що при появі дислокаційних сіток подальше травлення можна проводити тільки у розчині плавикової кислоти (HF) та підтверджується Оже-електронним аналізом. При більш детальному розгляді спостерігалась поява окремих періодичних областей субмікронного та наноструктурованого кремнію у вигляді стовпчиків різних розмірів. Поява картини дислокаційних сіток та можливість спостерігати ці сітки за допомогою електронного мікроскопу говорить про появу кристалічної структури кремнію. Товщина шару розупорядкованого кремнію та шару, який вміщуює дислокаційні сітки, залежить від рівня механічних напружень та деформацій на межах поділу, які визначаються параметрами діоксида кремнію і кремнію, товщиною діоксида кремнію та наявністю дефектів у вихідному кремнію. Стрибок густини станів захоплення електронів на межі області розупорядкованого кремнію та області, яка вміщує дислокаційні сітки, виникає внаслідок стрибка величини механічних напружень, який пов'язаний з процесами прискореної дифузії кисня вздовж дислокацій. Розрахунок величини відносних деформацій на межі поділу діоксид кремнію-кремній за виразом е = (б₁ - б ₂) t⁰ + ( а₁ - а₂ )/ а₁, який враховує різницю постійних кристалічних граток діоксида кремнію та кремнію (а₁ - а₂) та різницю їх термічних коефіцієнтів розширення (б₁ - б ₂ ) давав при температурі Т = 293 К результат е = 0,6 %, що більш ніж на порядок перевищує значення порогу пластичної течії кремнію. Цей розрахунок підтверджує той факт, що на межі поділу діоксид кремнію-кремній локалізуються значні механічні напруження та деформації, які релаксують з утворенням розвитої дефектної структури. Області розупорядкованої структури та дислокаційних сіток при зовнішніх механічних, термопольових та інших впливах є джерелами подальшої полігонізації та генерації нових дефектів у відповідності з механізмами інтеркристалічної та ротаційної пластичної деформації. Основними технологічними процесами при виробництві польових МОН- і pin- фотоприймальних систем є процеси окислення, іонного легування та металізації. Якщо відомі такі параметри окислення, іонного легування та металізації, як витрата кисня, значення іонного струму, розподіл концентрації атомів кисню та легуючої домішки по поверхні та по об'єму пластин кремнію, значення коефіцієнтів Вегарду для атомів легуючої домішки в кремнію, то це дозволить розрахувати величину механічної деформації та напруги на межі поділу діоксид кремнію-кремній і в об'ємі кремнію за межою фронта дифузії легуючої домішки. Також можливо передбачити можливу морфологію дефектів у проміжних кремнієвих структурах та кінцевих польових МОН- і pin-фотоприймальних системах...

Як показано вище, перехідний шар кремнію в структурах діоксид кремнію-кремній має складну структуру і вміщує шар сильно розупорядкованого кремнію та шар з дислокаційними сітками. Використовуючи зображення картини дислокаційних сіток та знаючи величину оптичного збільшення, можна визначити поверхневу густину дислокацій N_d за виразом N_d = d-², де d - період дислокайійної сітки, а величину відносної деформації можна розрахувати як = к b _пр d -¹ , де к - коефіцієнт дорівнює 0,5 для 60-градусних дислокаций, b _пр- проекція вектору Бюргерсу на площину спостерігання контрасту (для 60- градусних дислокацій b _пр = а ₀, де а ₀ - період кристалічної гратки кремнію. Величину остаточних механічних напруг можна розрахувати у відповідності з виразом:

= b _пр N_d ^0,5 , (1)

де - середні остаточні механічні напруження в області дислокаційних сіток, ( - коефіцієнт Пуассону), - модуль зсуву. У випадку процесу окислення і картини дефектоутворення, яка наведена, величина механічних напружень була розрахована у відповідності з виразом (1) і давала результат 5 10⁷ Н/м ², що нижче за межу пластичної течії кремнію. Значення відносних деформацій при цьому склали 0,06 %, що перевищує межу пластичної течії кремнію приблизно в три рази. У випадку процесу іонного легування значення механічної напруги та деформацій були меньшими, ніж у випадку процесу окислення, що можна пояснити присутністю в кремнію іонів легуючої домішки з меншою густиною, ніж у випадку процесу окислення. Знаючи величини відносної деформації в процесах іонного легування та окислення і закон розподілу концентрації іонів легуючої домішки (визначається екпериментально, наприклад, за допомогою метода зворотніх вольт- фарадних характеристик) можна, у відповідності з законом Вегарду ( = w C, де w - постійна Вегарду, залежна від параметрів атомів домішок та положення їх в кристалічній гратці кремнію, С - концентрація дифундованої домішки), визначити значення постійної Вегарду у кожному конкретному випадку (враховуючи обмеження, пов'язані з sp³ гібридизацією). У випадку іонного легування пластин кремнію іонами бору, для розрахованої відносної деформації 1,110- ² % та концентрації іонів бору С 0,6 %, значення постійної Вегарду для бора в кристалічній гратці кремнію дорівнювало 2 10-².

Якщо перехідну область кремнію в районі находження дислокаційних сіток в структурах діоксид кремнію-кремній хімічно модифікувати, обробляючи її селективним хімічним травником Сіртля або Секо за час, в залежності від ширини дислокаційної області, то можна спостерігати появу періодичної острівкової структури, яка складалася з областей бездефектного кремнію і мала особливі фотолюмінесцентні властивості. Дослідження спектрів фотолюмінесценції проводили в режимі детектування максимальних амплітудних значень та реєстрування релаксаційних спектрів. На рис. наведені спектри максимальних значень інтенсивності фотолюмінесценції та релаксаційних спектрів для різних товщин отриманих діоксидів кремнію. Добре спостерігається тенденція зростання інтенсивності та зміщення максімума в більш короткохвильову область при збільшенні товщин діоксидів кремнію до 1,5 мкм. Релаксаційні спектри, які спостерігались, описуються приблизно одним часом релаксації ф ~ 18 нс. Цей час був характерним для більшої частини спектрального діапазону.

Час релаксації, який спостерігався, не залежить від інтенсивності лазерного збудження у широкому діапазоні енергій. В процесі окислення механічні напруження та деформації зростають зі збільшенням товщин діоксидів кремнію, що призводить до зсуву максимума розподілу розмірів бездефектного кремнію в бік зменшення їх розмірів та збільшення ефективної площини поверхні островків субмікронного та наноструктурованого кремнію. У відповідності з квантово-розмірною теорією зменшення розмірів островків кремнію призведе до збільшення енергетичного зазору між квантовими рівнями та зсуву максімума спектра в більш короткохвильову область спектра. Можливі механізми ефекта, що виник пов'язані з внутрішньоцентровою рекомбінацією (не екситонною, так як для неї характерні часи релаксації більш за 100 нсек) в області сильної деформації кристалічної гратки в присутності сильного вбудованого електричного поля.

Запропоновано механізм виникнення додаткового радіаційно-індукованого заряду при опроміненні структур діоксид кремнію-кремній іонізуючим випромінюванням, який базується на експериментально дослідженому факті існування в перехідної області кремнію глибоких донорних станів густиною більш ніж 10²⁶ м-³, на яких при дії іонізуючого випромінювання локалізується радіаційно-індукований заряд. Інжектовані з цих станів електрони розсіюються в електричному полі бар'єрного потенціала. Електрони, інжектовані з домішкових станів та дозволених зон у діоксиді кремнію після дії іонізуючого випромінення, релаксують на вихідні стани. Роль приповерхневих станів у перехідній області кремнію при опроміненні структур діоксид кремнію-кремній іонізуючим випромінюванням підтверджується при дослідженні процесу відпалу, який відбувається у два етапи. Перший етап характеризується малими часами, за які характеристики структур повертаються назад до певного рівня. Цей процес обумовлений процесом релаксації носіїв зарядів, який відбувається в діоксиді кремнію. Густина заповнення станів в діоксиді кремнію пропорційна часу, за який відбувається цей процес. Другий етап характеризується великими часами відпалу. Цей процес обумовлений процесами релаксації зарядів в перехідній області кремнію. Густина заповнення станів у перехідній області, яка вміщує розупорядкований кремній, пропорційна логарифму часу заповнення, чим і обумовлюється великий час відпалу після дії іонізуючого випромінювання.

Картина виникнення дефектів, яка подібна картині дефектів в окисленому кремнію, отримана при металізації як монокристалічних, так і епітаксіальних кремнієвих пластин з утворенням бар'єра Шоткі або омічних контактів. Спостерігається виникнення перехідного шару кремнію, який вміщує шар розупорядкованого кремнію та шар з дислокаційними сітками. Товщина перехідного шару залежала від рівня механічних напружень та деформацій, які залежать від параметрів металу та кремнію, товщини нанесеного металу і наявності дислокацій у вихідному кремнію. Виявлені ямки травлення неправильної форми на поверхні розупорядкованого кремнію пов'язувались с витравленими атомами металу, які проникли в цей шар при прискоренній дифузії атомів металу вздовж дислокацій при кінцевому відпалі. На межі області розупорядкованого кремнію та кремнію з дислокаційними сітками спостерігався стрибок густини рівнів захоплення електронів, який виникає внаслідок стрибка рівня механічних напружень при прискореній дифузії атомів металу вздовж дислокацій.

Запропоновано фізико-математичну модель струмоперенесення крізь контакт метал-кремній, яка розроблена в рамках існуючих теорій струмоперенесення і яка базується на результатах досліджень реальної структури приповерхневої області кремнію.

Вважаємо, що паралельно площині переходу метал-кремній розташовані L дислокаційних сіток з M дислокаціями в одній сітці. Відстань між дислокаціями при їх максимальній густині, менше, ніж подвійний радіус просторового заряда дислокації, а ширина області розупорядкованого кремнію менше, ніж ширина області просторового заряду контакту метал- кремній. У наближенні термоелектронної теорії струмоперенесення в структурі метал-кремній набуває вигляд:

I _d = A ^** Т ² S exp[- (Ц_а + LM Ц_b)/(LM+1) kT] х (2)