Физика поверхности и микроэлектроника

ФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Курсовая работа Выполнил студент 3 курса ФМФ отделение «физика-информатика» группы «Д» Бурлуцкий Д.В (подпись) Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Ланкин С.В (подпись) Работа защищена « » 2008 Оценка (подпись) Благовещенск 2008 Содержание Введение 1 Физика поверхности 1.1

Этапы развития физики поверхности 1.2 Методы исследования поверхности 1.3 Геттерирование в микроэлектронике 2 Микроэлектроника 2.1 Трехслойная система — базовая структура микроэлектроники 2.2 Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов 2.3 Элементы фото и электрической памяти. Оптоэлектронные приборы 2.4

Сверхпроводящие пленки. Высокотемпературная сверхпроводимость Заключение Список литературы Введение Микроэлектроника в своем сравнительно недолгом развитии прошла путь от создания приборов, представ¬ляющих собой несколько полупроводниковых структур в общем корпусе, до сверхбольших интегральных схем, объединяющих десятки тысяч активных элементов на одном полупроводниковом кристалле площадью менее квадратного сантиметра. Основополагающей в развитии микроэлектроники явилась

идея интеграции - одновре¬менного изготовления на единой подложке большого числа полупроводниковых приборов (диодов, транзисто¬ров и др.), образующих интегральную схему, все эле¬менты которой расположены в тонкой (толщиной менее десятой доли миллиметра) приповерхностной области полупроводниковой пластины, а также в пленках ди¬электриков и металлов, наносимых на ее поверхность по необходимому рисунку. Такая технология получила название планарной (от латинского корня, обозначаю¬щего плоскость) и, как

видно из сказанного, неразрыв¬но связана с поверхностью и границами раздела твер¬дых тел. Микроэлектроника в настоящее время является в ос¬новном интегральной, поскольку создание большинства современных полупроводниковых приборов немыслимо без использования принципа интеграции. Одним из важ¬нейших факторов, стимулирующих развитие интеграль¬ной электроники, является низкая стоимость ее элемен¬тов. Только современные интегральные схемы позволя¬ют создавать

ЭВМ, доступные рядовому потребителю. То же можно сказать о технике связи, бытовой радио и телеаппаратуре и т. п. Вторым фактором, способство¬вавшим прогрессу интегральной электроники, являются чрезвычайно малые габариты интегральных схем при сохранении сложности и многообразия, выполняемых ими функций и весьма низком энергопотреблении. В настоящее время типичные размеры элементов ин¬тегральных схем составляют единицы микрометра, а тол¬щины диэлектрических пленок - десятки и сотни на¬нометров.

Такие схемы требуют обычно питающих на¬пряжений, измеряемых единицами вольт, а мощность, потребляемая схемой средней степени интеграции, ча¬сто не превышает 10-6 Вт. Достижения современной планарной технологии поз¬воляют уменьшить размеры активных областей отдель¬ных полупроводниковых приборов, составляющих мик¬росхему, до долей микрометра, а толщины диэлектриче¬ских пленок (при сохранении их высокого качества) — до 10-20 нм и менее.

Это открывает путь к дальней¬шему повышению степени интеграции элементов, сни¬жению рабочих напряжений и энергопотребления. Не следует, однако, думать, что такой переход дает¬ся легко. Существует большое количество как чисто тех¬нологических, так и физических, материаловедческих и других проблем. Например, чем меньше толщина ди¬электрических пленок, тем выше требования к их одно¬родности по толщине и сильнее влияние переходных слоев, всегда существующих на границах их раздела.

Разработка технологий создания таких диэлектриков требует прецизионных методов контроля параметров, применения сверхчистых исходных реагентов и более со¬вершенного (и более дорогостоящего) оборудования, ко¬торое, как правило, управляется мини-ЭВМ или встроен¬ными микропроцессорами. 1 Физика поверхности 1.1 Этапы развития физики поверхности В развитии физики поверхности можно выделить три этапа.

На ранней стадии изучалась поверхность твердого тела, покрытая различными адсорбированными фазами, осаждавшимися из окружающей газовой атмосферы, в результате химического травления или взаимодействия с другими фазами, в том числе в ходе хранения образ¬ца. Обычно такая поверх¬ность, называемая реальной, содержит не только адсор¬бированные компоненты. Но также покрыта «одеждой» из сверхтонкой пленки гидроксилов, сложных окислов, а иногда специальными

слоями химически стойких соединений типа фтористых соединений, оксинитридов, боридов и др. Как правило, такие поверхности включают довольно большое количе¬ство примесей инородных элементов, таких, как щелочно-галлоидные комплексы, содержащие Na, К, атомы переходных элементов, Fe, Cu, Au и др. Первые систематические исследования реальных по¬верхностей были проведены на металлах еще в начале

века в связи с нуждами эмиссионной электроники. Это, прежде всего классические работы Ленгмюра на воль¬фраме и молибдене, на цезиевых, оксид-цезиевых и дру¬гих горячих катодах. Затем были начаты исследования диэлектриков и полупроводников — окислов металлов (CuO, Cu2O, ZnO), легко выращиваемых полупро¬водников группы II—VI, далее (начиная с 40-х годов) — германия, кремния, веществ

А3Б5 (InSb, GaAs и др.). Дальнейшие экспериментальные исследования основыва¬лись уже на моделях, в которых центральную роль иг¬рали поверхностные уровни. Главным итогом этой стадии исследования поверх¬ности было надежное доказательство существования особых (по сравнению с объемом) поверхностных электрон¬ных состояний (поверхностных уровней) для всех полу¬проводников, для которых удалось провести экспери¬мент. На основании концепции поверхностных уровней (и влиянии заряда, накапливаемого на них) были, по крайней

мере, качественно, объяснены все ранее зага¬дочные поверхностные эффекты для реальной поверхно¬сти: сильная экранировка поля, приложенного к кон¬такту (с прижимным электродом), и ее релаксация, раз¬личные медленно релаксирующие эффекты, непрерыв¬ный спектр шумов, дополнительная длинноволновая эмиссия и появление фотоэдс и др. В дополнение к это¬му именно в ходе исследования реальной поверхности (контактных явлений) в системе с несколькими точеч¬ными контактами был открыт транзисторный эффект и впервые построен полупроводниковый

триод — точеч¬ный транзистор. Как известно, транзисторная логика до сих пор является определяющей в интегральной микро¬электронике. Второй этап в развитии физики поверхности связан с исследованием атомарно-чистой поверхности. Эта стадия началась вслед за получением достаточно высокого вакуума в эмиссионной электронике, созданием таких мощных методов исследования поверхности, как ди¬фракция пучков монохроматических очень медленных (до нескольких десятков электрон-вольт) электронов (Лашкарев,

Калашников, 1938 г.), появлением вакуум¬ной эмиссионной спектроскопии (Спайсер, 40-е годы), а также развитием методов очистки поверхности, прежде всего путем ионной бомбардировки (Аг+, Фарнсворс и Макрэй, 1950—1960 гг.). Среди наиболее важных результатов этого этапа от¬метим следующие: 1. Доказательство того, что атомарно-чистая поверх¬ность действительно представляет собой особую струк¬турную среду, т. е. характеризуется своей решеточной структурой.

Для поверхностного монослоя были найде¬ны сверхрешетки различного типа, одни сверхрешетки (как правило, незначительно отличающиеся от основ¬ной решетки вещества) оказались более устойчивыми, другие перестраиваются уже при комнатной темпера¬туре. 2. Прецизионные поверхностные методы дали воз¬можность определить фундаментальные характеристики поверхности кристаллической решетки, такие, как эф¬фективные массы электронов ms; деформационный по¬тенциал Ξ, энергия фононов поверхности еф и ампли¬туда колебаний ∆xs атомов поверхностного

слоя, дебаевская температура для поверхностной сверхрешетки и др. Наличие характерных полярных компонент хими¬ческой связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхно¬стных поляризованных мод, таких, как, например, по¬верхностные поляритоны в Ge, Si и др экситонного, плазмонного, фононного и других типов. 3. Наличие двумерных квантовых эффектов в обла¬сти поверхностного заряда, роль поверхностей резко воз¬растает.

Такие экситоны впервые наблюдались на ско¬лотых поверхностях, где существуют сильные заряды на метастабильных поверхностных состояниях. Впервые эффекты двумерного квантования на сколотых поверх¬ностях были описаны Коваджи (1964), Доброволь¬ским (1970), Корбутяком и Литовченко (1973). 4. Наличие характерных полярных компонент хими¬ческой связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхно¬стных поляризованных мод, таких, как, например,

по¬верхностные поляритоны в Ge, Si и др экситонного, плазмонного, фононного и других типов. Третья стадия развития физики поверхности связана с исследованием границ раздела хорошо детерминиро¬ванных фаз, как, например, «диэлектрик—полупровод¬ник», «металл—полупроводник», «диэлектрик—металл». Это так называемые слоистые структуры, среди ко¬торых первая образует технологическую базу большин¬ства типов интегральных схем. 1.2 Методы исследования поверхности

Методы исследования поверхности весьма разнооб¬разны. Общей их чертой является необходимость измерения параметров в очень тонком поверхностном слое, т. е. обеспечение возможности измерения в очень малом количестве вещества. Это предопределяет высокую, в отдельных случаях предельную чувствительность исполь¬зуемых измерительных систем. Наиболее распространены три типа методов иссле¬дования электрических характеристик поверхности:

1. Изменение проводимости слоя поверхностной области пространственного заряда под воздействием внешнего поля (эффект поля); 2. Метод вольтфарадных характе¬ристик, в котором вместо активной характеристики (про¬дольной проводимости) измеряется реактивная величи¬на - поперечная емкость, откуда рассчитываются пара¬метры емкости области пространственного заряда и со¬ответственно те же характеристики поверхности, что и в методе эффекта поля (изгиб зон уs, начальный заряд поверхности

Qso и др.), но на более простых структу¬рах и более экспрессным способом; 3. Методы измере¬ния поверхностной рекомбинации, основанные на изме¬рении фотопроводимости, неравновесной проводимости неосновных носителей, генерированных электрическим нолем, а также, но характеристикам так называемого тока насыщения р-n перехода, локализованного вбли¬зи поверхности. Поверхностная рекомбинация опреде¬ляет ряд параметров р-n переходов (генерационный ток в тонких образцах

и др.), а также кинетические па¬раметры биполярных планарных транзисторов в режиме слабых токов. Эффект поля есть изменение приповерхностной про¬водимости под воздействием электрического поля, при¬ложенного нормально к поверхности твердого тела. Обычно это явление реализуется для полупроводников, хотя возможно его проявление и для металлов и диэлек¬триков (особенно для их тонких пленок). Наведенный электрический заряд распределяется между областью пространственного заряда и локализованными

поверх постными состояниями. Концентрации свободных элек¬тронов (или дырок) в этой области определяются по¬верхностным потенциалом &#966;s (изгибом зон уs) и поло¬жением уровня Ферми в объеме полупроводника E&#966;. Внешнее поле задает три состояния области прост¬ранственного заряда: обогащение основными носителя¬ми (по отношению к объему; для полупроводника n-типа это соответствует образованию сильного изгиба зон вниз, т. е. ys<0); формирование вблизи поверхности слоя истощения,

при этом зоны искривляются вверх (ys > 0). В этом случае проводимость уменьшается. При последующем искривлении зон вверх, по мере увеличе¬ния вблизи поверхности концентрации неосновных (по отношению к объему) носителей (например, дырок) на¬ступает момент, когда число последних у поверхности превышает концентрацию электронов в объеме. Создает¬ся так называемый инверсионный поверхностный слой. Когда изгиб зон ys становится столь большим, что ва¬лентная зона пересекает уровень

Ферми EF, концентрация носителей в инверсионном слое становится столь большой, что возникает слой вырожденного газа носи¬телей (в определенных случаях с двумерным квантова¬нием зонного спектра свободных носителей). Формиро¬вание инверсионного слоя дает возрастание проводимо¬сти уже за счет неосновных носителей. Таким образом, зависимость проводимости от внеш¬него поля имеет вид кривой с минимумом. Анализ этой кривой позволяет получить данные о состоянии областей пространственного заряда, локализованных

на поверх¬ности центров захвата (так называемых поверхностных уровней), и объема полупроводника. Так, минимум про¬водимости поверхностной области пространственного заряда соответствует потенциалу, задаваемому параметра¬ми объема: Начальный изгиб зон &#966;so задает плотность заполненных поверхностных уровней в условиях обычного состоя¬ния образца. Измерение релаксации позволяет разделить поверхностные центры на быстрые (со временами релаксации <10-3 с) и медленные (&#8805;10-1 с).

Медлен¬ная релаксация имеет неэкспоненциальный характер, что, как правило, обусловлено гетерогенностью поверх¬ности. Она может быть также вызвана ионными процес¬сами (диффузией), адсорбционно-десорбционными процессами, поверхностными химическими реакциями, сти¬мулированным полем. Вольтфарадные (С—V) характеристики. Измеряемой величиной является высокочастотная (f > 1 мГц) или низкочастотная (f < 0,1 Гц) емкость тройной структуры и ее зависимость от приложенного

постоянного (или медленно меняющегося) напряжения смещения, прикла¬дываемого между металлическим и полупроводниковым электродами. Исследуются также зависимости емкости структуры от температуры (С—Т-характеристики) и вре¬мени (С—t-характеристики). Рис. 1. Типичные C—V за¬висимости при измерениях на высоких (сплошная кривая) и низких (штриховая кривая) частотах Изменение емкости тройной структуры при варьиро¬вании напряжения связано с изменением емкости обла¬сти пространственного заряда и обусловлено измене¬нием в ней концентрации

подвижных носителей. Поскольку основные и неосновные носители заряда обла¬дают существенно различными временами генерации, то их вклад в емкость соизмерим только в низкочастотном (так называемом квазистатическом) режиме измерений. В высокочастотном режиме неосновные носители почти не проявляются. Типичные С—V-зависимости изображе¬ны на рисунке 1. Видно, что при изменении приложенного напряжения высокочастотная емкость уменьшается от емкости, определяемой

толщиной слоя диэлектрика, до некоторой величины, которая зависит от уровня леги¬рования материала. Сопоставляя полученные экспериментально С – V зависимости с теоретическими, рассчитанными в рамках адекватных физических моделей, удается получить боль¬шое количество параметров тройной структуры — тол¬щину диэлектрика, заряд, встроенный в диэлектрик, уро¬вень легирования объема полупроводника и его измене¬ние в приповерхностной области по координате, перпендикулярной поверхности, величину поверхностного изги¬ба

зон и ее зависимость от приложенного смещения, плотность электронных состояний на границе раздела диэлектрик — полупроводник и их распределение по за¬прещенной зоне, фактор, характеризующий статистиче¬скую планарную микронеоднородность величины поверх¬ностного заряда по отношению к его среднему значе¬нию, и некоторые другие характеристики. Если под действием электрического поля происходит изменение заряда в диэлектрике (этот процесс специ¬ально используется в элементах памяти, применяемых в

ЭВМ, но в других случаях может быть и нежелатель¬ным), то С – V характеристика смещается по оси напря¬жений. Это позволяет легко фиксировать данный про¬цесс и определять знак и величину изменения заряда в диэлектрике. Метод электроотражения. Явление электроотраже¬ния заключается в изменении коэффициента отражения света от поверхности твердого тела (полупроводника, металла) под действием внешнего электрического поля и

связано с эффектом фототуннелирования (эффект Франца—Келдыша) — туннельного перехода носителей между энергетическими зонами (что становится возмож¬ным благодаря их искривлению в сильном поле) при од¬новременном изменении энергии носителя вследствие по¬глощения фотона с данной энергией. Вероятность про¬цесса фототуннелирования сильно зависит от соотноше¬ния энергии фотона (которую мы меняем в экспери¬менте) и энергетического спектра разрешенных зон (формы зоны

Бриллюэна) твердого тела. Поэтому при изменении энергии фотонов величина сигнала электро¬отражения несет информацию о зонных характеристиках исследуемого материала. Важно подчеркнуть, что поскольку в процессе элек¬троотражения света с энергией квантов hv, превышаю¬щей энергию запрещенной зоны Eq, участвует только тонкий поверхностный слой материала (в металлах это доли нанометра, в кремнии — 15—20 нм), то рассмат¬риваемая методика особенно ценна именно для изуче¬ния поверхностных

свойств. Она применима как к моно¬кристаллическим, так и к поликристаллическим и аморф¬ным полупроводникам. С ее помощью могут быть получены спектры коэффициентов преломления и поглоще¬ния света в веществе, определены характерные энерге¬тические зазоры, степень дефектности поверхностного слоя, наличие и величина полей механических напряже¬ний, тип проводимости поверхностного слоя, параметры разупорядочения кристаллической структуры (измене¬ния длин и углов межатомных связей), размеры зерен в поликристаллических и микрокристаллических

мате¬риалах. Метод эллипсометрии. Данный метод (а точнее, це¬лый набор методов, объединенных общим принципом из¬мерений), также основан на измерении отражения света от исследуемой поверхности. В отличие от метода элек¬троотражения, применимого для проводящих материа¬лов, методом эллипсометрии могут изучаться также и диэлектрики, и многослойные тонкопленочные структу¬ры. Измеряются параметры поляризации отраженного света, зависящие как от условий измерения (угол паде¬ния

света, его исходная поляризация), так и от физиче¬ских характеристик исследуемой отражающей системы. К последним относятся оптические константы отражаю¬щих поверхностей и диэлектрических пленок (в свою очередь, чувствительные к длине волны, на которой про¬изводится измерение, в силу их зависимости от парамет¬ров зонной структуры материалов), толщины пленочных покрытий и переходных слоев на границах раздела. Метод эллипсометрии отличается очень высокой чув¬ствительностью.

Он позволяет обнаруживать на поверх¬ности даже моноатомиые пленки различных веществ и определять их характеристики. Эта особенность исполь¬зуется в современных технологических установках, пред¬назначенных для нанесения тонких пленок. Эллипсометр, встроенный в такую установку и сопряженный с ЭВМ, позволяет получать характеристики пленки непо¬средственно в процессе ее синтеза. Еще одна возможность метода — определение пара¬метров многослойных систем (например, структура ди¬электрик

— полупроводник с двумя и более диэлектри¬ками или с диэлектриком, параметры которого изменя¬ются по толщине). Такая задача может быть решена не¬сколькими путями и математически весьма сложна, но другими методами решить ее часто вообще невозможно. 1.3 Геттерирование в микроэлектронике Геттерирование в твердом теле есть явление извле¬чения примеси или структурных дефектов из очищаемых (так называемых активных) участков твердого тела в контактирующую инородную фазу (геттер) — пассив¬ный

(стоковый) участок образца или вакуум. Термин «геттерирование» заимствован из известного в вакуум¬ной технологии геттерного процесса — очистки газовой среды от нежелательных компонент путем адсорбции, абсорбции либо связывающих химических реакций на поверхности или в объеме дисперсных слоев химически активных веществ (Ва, Ti, Та, Zr, Cr, La, Nb и некото¬рых других). Механизмы геттерирование в твердом теле и ваку¬уме, как правило, имеют различную природу.

Процесс генерирования в твердом теле включает три основных этапа: 1) активацию геттерируемых частиц — перевод их в состояние, обеспечивающее способность к простран¬ственному перемещению; 2) масс-перенос; 3) реакции взаимодействия с геттером, сопровождающиеся закреп¬лением или выносом частиц за пределы образца. По типам активации геттерирование в твердом теле разделяется на термическое, химическое и радиацион¬ное. Первый процесс требует наиболее высоких темпера¬тур, третий возможен даже

при криогенных температу¬рах. Таким образом, радиационное геттерирование перс¬пективно для низкотемпературных технологий в микро¬электронике. Перенос масс при генерировании может происхо¬дить за счет диффузии (в том числе радиационно-стиму-лированной), дрейфа (в поле электрических или меха¬нических напряжений) и динамических процессов (рис. 2). Геттер Полупроводник объемное поверхностное планарное Рис. 2. Механизмы генерирования в полупровод¬никах

По типу расположения геттерных областей поглоще¬ние примесей может быть объемным или собственным (поглощают встроенные в объем твердого тела, термиче¬ски активированные преципитаты генерирующих фаз типа Si02, SiC, Si3N4, Gd, редкоземельных элементов, металлов и др.); поверхностным (внешним), когда слои геттера (Si3N4, Si02, SiOxPi-x, Pb и др.) осаждаются на поверхность, а перенос масс протекает через объем твер¬дого тела; планарным (масс-переиос происходит по по¬верхности твердого тела или вдоль границы

раздела контактирующей фазы). Поскольку поверхностная ми¬грация происходит значительно легче объемной, планарный процесс генерирования на несколько порядков ве¬личины быстрее прочих, поэтому он приемлем в усло¬виях низкотемпературных технологий. Поглощение примесей может быть обусловлено по¬вышенным коэффициентом растворимости их в геттере по сравнению с очищаемым твердым телом (фазовое геттерирование) или наличием участков твердого тела, имеющих дефектную структуру и способных, поэтому, активно поглощать более простые

дефекты и связывать примесь (структурное геттерирование). Применение геттерирования в микроэлектронике позволяет изготавли¬вать интегральные схемы высокого качества со значи¬тельной степенью интеграции (106—108). Узловым моментом в геттерирование является введе¬ние быстро диффундирующих точечных дефектов междоузельного типа, обычно атомов матрицы. Встречая на своем пути примесь, эти атомы вытесняют ее с «на¬сиженных» мест, переводя в метастабильное

состояние. Для этого состояния характерна довольно высокая подвижность атомов. Увлекаемые механическим полем, атомы примеси двигаются к геттеру, где затем и за¬крепляются (растворяются и т. п.). На поверхности и границах раздела фаз эти процессы протекают гораздо легче, чем в объеме. Именно там легче эмитировать большое количество междоузельных атомов; масс-перенос идет по механизму миграции, а для стоков имеются такие недоступные в объеме пути, как уход в газовую фазу, испарение и

т. п. Таким образом, активное ис¬пользование поверхности и границы раздела становятся основой новой перспективной технологии - стимулиро¬ванного низкотемпературного генерирования. 2 Микроэлектроника 2.1 Трехслойная система — базовая структура микроэлектроники Структуры «металл—диэлектрик—полупроводник» упоминаются нами настолько часто, что читатель уже понял: эта структура, и современная интегральная элек¬троника неразрывно связаны.

Без этих систем невоз¬можно изготовить не только интегральную схему, но и очень многие современные дискретные полупроводнико¬вые приборы. В частности, слой диэлектрика нужен и для предот¬вращения попадания в полупроводник нежелательных веществ при изготовлении прибора и в процессе его эксплуатации, и в качестве изолятора при приложении электрического поля к полупроводнику, и как запоми¬нающая среда, и как среда с очень точно регулируемой способностью пропускать носители заряда при опреде¬ленных условиях.

Очень перспективным направлением развития техно¬логии интегральной электроники является создание при¬борных структур со встроенными геттерными областями различных типов. Такие области при их правильном из¬готовлении будут поглощать, и связывать нежелатель¬ные дефекты и примеси не только в процессе изготовле¬ния микросхем, но и в процессе их эксплуатации в экстремальных условиях (например, при перегрузке, по¬явлении ионизирующих излучений), «залечат» образо¬вавшиеся дефекты

и предотвратят выход прибора из строя. К созданию такой «иммунной системы» интеграль¬ных схем ученые уже приступили, однако ее реализация (в особенности для пекремниевых технологий) — дело будущего, а пока можно лишь с уверенностью утверж¬дать, что большинство из создаваемых геттерных обла¬стей должно располагаться в приповерхностной области полупроводника, т. е. именно там, где создаются полу¬проводниковые приборы, где вероятность возникновения дефектов и появления загрязнений максимальна,

Каковы же пределы микроминиатюризации в инте¬гральной электронике? Ведь усовершенствование техно¬логий, разработка новых физических принципов работы приборов, как и всякая отрасль знания, не имеют пре¬дела своего развития. Значит ли это, что можно до бес¬конечности увеличивать степень интеграции микросхем, уменьшая размеры их элементов? Нет, ибо вступают в действие законы, ограничивающие этот рост.

Любое кристаллическое твердое тело образовано ато¬мами, располагающимися в узлах кристаллической ре¬шетки. Очевидно, что создавать в кристалле элемент с размерами, меньшими расстояния между атомами ре¬шетки, в принципе невозможно. Это расстояние, равное для кремния 5,4.3-10-4 мкм, и определяет абсолютный предел миниатюризации элементов интегральных схем. 2.2 Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как

для самого процесса изготовления полупроводниковых приборов, так и для его последующей работы с необходимыми характеристиками. Отрицательное влияние поверхностных явлений на работу диодов, транзисторов и фотоэлектри¬ческих приборов связано с существованием поверхност¬ной рекомбинации. Она вызывает снижение коэффици¬ента полезного действия солнечных фотоэлементов и дру¬гих фотопреобразователей, уменьшение коэффициента усиления транзисторов, увеличение обратных токов р–п переходов.

Наличие поверхностной рекомбинации при¬водит также к снижению чувствительности полупроводниковых фотопреобразователей в коротковолновой обла¬сти спектра, когда свет поглощается в очень тонком при¬поверхностном слое полупроводника. Выше уже гово¬рилось о возможности управления скоростью поверх¬ностной рекомбинации, Использование этой возможно¬сти часто позволяет устранить (полностью или частич¬но) перечисленные отрицательные факторы. Надежность работы полупроводниковых приборов за¬висит и от величины и стабильности поверхностного

по¬тенциала полупроводника, поскольку он определяет кон¬центрацию носителей заряда в приповерхностной обла¬сти. В свою очередь, поверхностный потенциал опреде¬ляется (при отсутствии внешнего электрического смеще¬ния) зарядом на поверхностных электронных состоя¬ниях (состояниях границы раздела) и зарядом, встроен¬ным или инжектированным в диэлектрик системы «ди¬электрик—полупроводник». Таким образом, необходимо как знать параметры этих электронных состояний и за¬ряды в диэлектриках,

так и уметь управлять ими и ста¬билизировать их свойства в случае воздействий темпе¬ратур, полей и излучений. Это очень сложная задача, еще до конца не решенная даже для «классической» системы Si - Si02. Если поверхность полупроводникового прибора не защитить от посторонних примесей, всегда имеющихся в атмосфере или в материале корпуса, то атомы таких примесей будут захватываться на уровни поверхност¬ных состояний, изменяя их заряд и другие характери¬стики.

Это приведет к дрейфу поверхностного потенциа¬ла, появлению его пленарной неоднородности и в конечном итоге к дрейфу параметров прибора и его возмож¬ному выходу из строя. Поэтому в технологии микро¬электроники всегда применяют защиту (пассивацию) поверхности полупроводниковых приборов и интеграль¬ных схем. Наилучшим для этой цели является слой Si02, который иногда дополнительно легируют примесями бо¬ра, фосфора или свинца.

Однако даже защищенная диэлектрическим слоем поверхность не всегда остается стабильной. Дело в том, что в диэлектрике, особенно в области его границы раз¬дела с полупроводником, могут быть расположены при¬месные включения и их комплексы с различными струк¬турными дефектами, часто имеющими электрический за¬ряд. Поэтому под действием электрических полей, всег¬да существующих в работающем приборе, возможно медленное перемещение этих примесей и дефектно-при¬месных комплексов, как в глубь диэлектрика,

так и в область границы раздела с полупроводником. Резуль¬тат известен: изменение степени и характера заполнения электронных состояний границы раздела и электриче¬ских полей в этой области, дрейф поверхностного Потен¬циала и связанных с ним характеристик, возникновение локальных утечек и пробоя диэлектрика. Поверхностные состояния влияют также на шумы полупроводниковых приборов, особенно в низкочастот¬ной

области. Это и понятно: ведь носители заряда, захватываясь на поверхностные состояния и высвобож¬даясь с них, всегда будут вызывать некоторые флуктуа¬ции токов и зарядов в приборе. Еще одним интересным аспектом влияния поверхно¬сти на работу полупроводниковых приборов является поверхностное прилипание (захват) носителей на по¬верхностные электронные состояния, обнаруженное в Институте полупроводников АН УССР еще в начале 70-х годов.

Прилипание будет происходить, если сече¬ния захвата электрона и дырки существенно отличаются (в противном случае будет наблюдаться поверхностная рекомбинация). Центры прилипания обычно располо¬жены в запрещенной зоне полупроводника вблизи краев его разрешенных энергетических зон и поэтому называ¬ются мелкими центрами. Показано, что их природа для кремния тесно связана со структурными дефектами при* поверхностной области

полупроводника или границы между диэлектриком и полупроводников. Такие дефекты вводятся при механической обработке (резке, шли¬фовке и т. п.) кремниевых пластин, а также при окисле¬нии и других операциях под воздействием возникаю¬щих полей механических напряжений (связанных, на¬пример, с различными коэффициентами термического расширения для Si и Si02). Центры прилипания могут существенно изменять многие характеристики приборов: их быстродействие,

величину фоточувствительности, термостабильность, ко¬эффициент усиления. Выше уже было рассмотрено их влияние на фотопроводимость при обогащающих при» поверхностных изгибах зон. Здесь эффект прилипания играет положительную роль. Благодаря его влиянию можно также повысить коэффициент передачи фототран¬зисторов, создать элементы запоминания информации. Однако все это сопровождается падением быстродейст¬вия приборов и повышением

чувствительности их харак¬теристик к температуре, освещению и другим видам из¬лучений. Поэтому в каждом конкретном случае прихо¬дится выбирать: использовать эффект поверхностного прилипания или постараться от него избавиться. Даже для моноатомных полупроводников поверх¬ность является удобным «стоком» для примесей и де¬фектов. Они скапливаются на ней, диффундируя как из полупроводника, так и из слоя диэлектрика. Например, уровень легирования полупроводника на поверхности, как правило, отличается

от уровня легирования объема, Современные методы физического анализа позволяют изучать эти процессы и в определенной степени управ¬лять ими. 2.3 Элементы фото и электрической памяти. Оптоэлектронные приборы В предыдущих разделах мы в той или иной мере уже затрагивали вопросы о работе некоторых типов элемен¬тов памяти, фотоприемников и лазеров. Общим момен¬том при этом являлось то, что во всех этих приборах активно используются электронные процессы

на поверх¬ности, границах раздела, в тонких приповерхностных об¬ластях полупроводника и в пленках диэлектриков. Здесь мы кратко рассмотрим некоторые конкретные типы та¬ких приборов и их «поверхностные» особенности. Элементы памяти на основе структуры «металл-нитрид-окисел-полупроводник». Их принцип действия, методы электрической и оптической записи информации описаны выше. Осталась нерассмотренной одна граница раздела: металл—диэлектрик.

Оказывается, что ее влияние также нельзя упускать из виду. Назначение металлического электрода — создание на необходимой площади диэлектрической пленки элек¬трического поля при подаче напряжения смещения. Предположим, что мы подали на металлический элек¬трод импульс положительной полярности. При этом из Si в Si02 будут инжектироваться электроны и в нитриде кремния запишется отрицательный информационный за¬ряд. Однако в это же время будет происходить эмиссия дырок из металлического электрода

(или, что то же, часть электронов уйдет из S13N4 в металл). В результа¬те суммарный информационный заряд в Si3N4 умень¬шится, что приведет к ухудшению характеристик запо¬минания. Для предотвращения такого нежелательного эффек¬та было предложено несколько путей. Один из них – нанесение на слой нитрида кремния еще одной диэлек¬трической пленки — окиси алюминия А1203. Этот мате¬риал, обладающий большей шириной запрещенной зоны (8,7 эВ), чем

Si3N4 создает дополнительный потенци¬альный барьер для эмиссии носителей с металлического электрода. Другой путь использование вместо Si3N4 диэлектрика с переменной шириной запрещенной зоны (варизонного) — оксинитрида кремния SixNvOz. Из¬меняя в процессе его синтеза значения х, у, z, удается менять состав пленки от Si3N4 до Si02. Если подобрать характер варизонности таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны увеличивалась по направлению к ме¬таллическому электроду, то также удается подавить эмиссию носителей

из металла. Последний путь являет¬ся более перспективным, так как не требует введения в стандартную технологию нового процесса — нанесения пленки А1203. Элементы памяти с «плавающим» затвором. Для со¬здания в диэлектрике центров, способных захватывать заряд, можно использовать так называемый плавающий затвор. Он представляет собой тонкий слой металла или полупроводника, находящийся внутри диэлектрического слоя

и, таким образом, изолированный от всех электро¬дов прибора (транзистора) (рис. 9,6). Преимущество таких запоминающих структур — способность очень дол¬го сохранять записанный заряд. Запись осуществляется с помощью инжекции горячих носителей через часть диэлектрика, отделяющего полупроводник от плавающе¬го затвора; этот механизм уже описан выше. Для сти¬рания применяют ультрафиолетовое облучение.

Струк¬туры с плавающим затвором довольно сложны в изго¬товлении, так как процесс создания плавающего затво¬ра не должен ухудшать параметры подзатворного ди¬электрика (не будем забывать, что он достаточно тонок: 30—50 им). Поверхностные фоторезисторы и фототранзисторья. Фоторезистор — прибор, использующий явление фото¬проводимости, рассмотренное нами выше. Мы отметили главные особенности влияния поверхности на этот эф¬фект.

Показано, что правильный выбор величины по¬верхностного изгиба зон позволяет увеличить фотопро¬водимость при hv>Eg в несколько десятков раз. Осо¬бенно сильно этот положительный эффект проявляется при малых длинах волны света, когда велик коэффи¬циент его поглощения, мала глубина поглощения и, сле¬довательно, очень велика роль поверхностной рекомби¬нации и прилипания. Для кремния эти длины волн по¬падают в очень важную спектральную область видимо¬го и ультрафиолетового

света. Таким образом, непра¬вильный выбор условий на поверхности сделает фоторе¬зистор «слепым» во всей спектральной области, за исключением узкой полосы с hv> Еg. И наоборот, оп¬тимизация поверхностных характеристик позволяет по¬лучить прибор, чувствительный к свету во всей области длин волн от 0,2 мкм до 1,1 мкм (для кремния). Более того, изменяя условия на поверхности, можно регулиро¬вать фоточувствительность в этом спектральном

диапа¬зоне. Рисунок 3. Тонкопленочный фототранзистор: 1 – контактные площадки; 2 – электрод истока; 3 – защитное покрытие; 4 – полупроводник; 5 – электрод затвора; 6 – диэлектрик; 7 – электрод стока Изменять состояние поверхности (изгиб зон) наибо¬лее удобно в структуре «металл—диэлектрик—полупро¬водник» (металлическим электродом, проницаемым для света) с приложением внешнего смещения.

Подобную структуру имеет и тонкопленочный транзистор (рис. 3). Если требуется зафиксировать одно состояние, то доста¬точно нанести на поверхность Si диэлектрик (например, Si02). При этом должно удовлетворяться несколько ус¬ловий: процесс нанесения диэлектрика не должен силь¬но ухудшать объемные характеристики полупроводника; заряд, встроенный в диэлектрик, должен обеспечивать необходимые знак и величину поверхностного изгиба энергетических зон в полупроводнике;

граница раздела «диэлектрик—полупроводник» должна быть достаточно совершенной (иметь низкую плотность электронных со* стояний и их необходимое распределение по ширине за¬прещенной зоны полупроводника). Для приборов на ос¬нове Si этот комплекс проблем можно считать решен¬ным, но для других материалов существует еще много проблем. Поверхностно-барьерные фотодиоды и фотопреобразователи и поверхностно-барьерных фотодиодах (рис. 4), как следует из их названия, используется эффект возникновения поверхностной

фотоэдс при разделении неравновесных носителей электрическим полем области приповерхностного пространственного заряда. Общим требованием к приборам такого типа является создание на поверхности условий, оптимальных для генерации фотоносителей и их собирания на контактные области. При соблюдении этих условий удается так же, как и в слу¬чае фоторезисторов, повысить чувствительность в корот¬коволновой области спектра при сохранении высокой однородности фотоответа в разных точках освещаемой

поверхности.