CC BY
18Определение энергетических диаграмм структур 8ьНЮ2 и 8^г02 на основе метода полевых циклов в электролите.
Барабан А.П., Дмитриев В.А., Милоглядова Л.В. (laramil@rambler.ru), Сергиенко М.В.
Научно-исследовательский Институт Физики им. В.А.Фока Санкт-Петербургского Государственного Университета
Одними из важнейших характеристик структур полупроводник-диэлектрик (ДП) являются ширина запрещенной зоны диэлектрика (Е^) и величина потенциального барьера для электронов на границе полупроводник-диэлектрик (фе), которые определяют энергетическую диаграмму ДП-структуры и, следовательно, характер протекающих в ней электронных процессов. Для определения указанных характеристик используются методы фотоинжекции и фотопроводимости в области вакуумного ультрафиолета [1]. Успешное использование данных методов позволило с высокой точностью установить энергетическую диаграмму для структур Si-SiO2 (фс=(4,25±0,05) эВ и Е^(8,9±0,1) эВ), которая сохраняется вплоть до толщины окисного слоя ~1 нм [2]. Однако реализация этих методов требует сложного спектроскопического оборудования и является достаточно сложной экспериментальной задачей. Более того, использование данных методов для определения энергетических диаграмм кремниевых структур с другими диэлектрическими слоями встречает ряд трудностей, связанных, например, с эффективным захватом носителей заряда в диэлектрическом слое и/или высокой темновой проводимостью структур.
Цель данной работы заключалась в демонстрации возможности оценки указанных характеристик (фе и Е^ структур кремний-диэлектрик с помощью метода полевых циклов в системе электролит- диэлектрик-полупроводник (ЭДП) [3], который с успехом использовался для изучения
электронных процессов в структурах 8ьБЮ2. Суть метода заключалась в получении зависимости потенциала плоских зон структуры (определялся на основе измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик) от средней напряженности электрического поля, создаваемого в окисном слое в процессе предварительной поляризации структуры в электролите («+» на кремнии). В этом случае, как было показано в [3], весь диапазон электрических полей мог быть разделен по характеру протекающих в окисном слое электронных процессов на 4 области: Е1, Е2, Е3 и Е4 (рис.1).
14 12 10 8 6 4 2
Е1
Е2
Е3
Е4
Б,
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Е ,МВ/см
ох'
Рис.1. Зависимость потенциала плоских зон (Уа) от средней напряженности электрического поля (Еох) в окисном слое для структур 8ьБЮ2 с толщиной окисного слоя 100 нм.
Для достижения цели настоящей работы для нас представляли интерес два граничных значения напряженности поля в окисном слое Е1 и Е2. Значение средней напряженности электрического поля в окисном слое Е1
(граница между областями Е1 и Е2) соответствует началу заметной инжекции электронов из электролита в окисный слой и проявляется в образовании отрицательного заряда, связанного с захватом электронов на ловушки в диэлектрическом слое. В системе ЗьЗЮ2-электролит (1Н водный раствор №^04) величина Е1=7,5 МВ/см и не зависит от толщины окисного слоя, так как инжекция электронов из электролита в окисный слой
3/2
происходит по механизму Фаулера-Нордгейма [4]. Значение Е1~(ф61) , где фег высота потенциального барьера для электронов на границе БЮ2-электролит, согласно [4] ф^=(4,2±0,2) эВ. Величина '^ф^+х, где %- сродство Si02 к электрону, представляет собой «работу выхода» электролита, которая определяется типом используемого электролита и не зависит от типа диэлектрического слоя. Как было установлено в [4], в нашем случае величина 'й=(5,1±0,2) эВ. Тогда, в случае инжекции электронов из электролита в некий диэлектрический слой по механизму Фаулера-Нордгейма высота потенциального барьера на границе кремний-диэлектрик (фс) может быть выражена следующим образом: фс=х1-X2=X1-We1+фe1*, где хг сродство к электрону для кремния (согласно [4] х1=(4,05±0,05) эВ), х2- сродство к электрону диэлектрического слоя, ф^*- высота потенциального барьера на границе диэлектрик-электролит. Величина ф^*, в первом приближении, может быть выражена через соответствующие параметры, определенные для
* 2/3 *
структур Si-Si02, следующим образом: ф^*=(Е1 /Е1) хфй, где Е1 - граница
областей Е1 и Е2, полученная для исследуемой структуры кремний* 2/3
диэлектрик методом полевых циклов. Следовательно: фс=(Е1 /Е1) хф^+х^
Значение напряженности электрического поля Е2 (граница областей Е3 и Е4) соответствует началу развития процесса ударной ионизации в диэлектрическом слое и зависит от его толщины dox [3]. В случае системы Si-Si02-электролит Е2=7,6х106 + 75М0Х(МВ/см) [4]. В первом приближении величина Е2~Её. Тогда для диэлектрического слоя, процессы разогрева
электронов в котором близки по своим свойствам к процессам разогрева
* *
электронов в слоях двуокиси кремния, можно записать: Eg =Е^(Е2 /Е2), где *
Eg - ширина запрещенной зоны исследуемого диэлектрика, Е^ ширина
*
запрещенной зоны SiO2, Е2 - граница областей Е3 и Е4, получаемая методом полевых циклов для исследуемого диэлектрика.
Таким образом, описанная выше процедура определения энергетических характеристик исследуемых структур кремний-диэлектрик может быть с успехом реализована, если процессы переноса электронов в них аналогичны переносу в структурах Si-SiO2. К числу таких структур по нашему мнению [5] в первую очередь следует отнести структуры Si-HfO2 и Si-ZrO2, являющиеся в настоящее время наиболее перспективными кандидатами для замены структур Si-SiO2 в рамках нового технологического направления (high-k технология). Для структур Si-HfO2(93нм) и Si-Zr02(100нм) (полученных низкотемпературным осаждением
окисных слоев на монокристаллические подложки КЭФ-5 (111)) методом полевых циклов в системе ЭДП были получены зависимости потенциала плоских зон У^, от напряженности электрического поля в диэлектрике Еа, характерной для предварительного полевого воздействия (рис.2) [5]. Из рисунка видно, что в обоих случаях изменения потенциала плоских зон носят немонотонный характер и всю область исследуемых полей можно также условно разделить на четыре области (по аналогии с электронными процессами, протекающими в структурах Si-SiO2). Данные зависимости
позволили в первом приближении получить значения напряженности полей
* * *
Е1 и Е2 . В этом случае значение напряженности поля Е1 соответствует
полевому воздействию, приводящему к появлению отрицательного заряда в
*
исследуемых структурах. Для более точного определения значения Е1 использовались результаты по послойному стравливанию окисного слоя в сочетании с измерением ВФХ, которые позволили проследить изменения зарядового состояния исследуемых структур в процессе полевого воздействия, связанные с захватом инжектированных электронов на
-V» В
3,0 -
2,5 -
2,0 -
1,5 -
1,0
0,5
0,0
-0,5 - /.
0 2
/
2
4 6 8 10 12
Ед, МВ/см
Рис.2. Зависимость потенциала плоских зон (Уд,) от средней напряженности электрического поля (Е,) в диэлектриках структур Бь2г02 (1) и БьНГО2 (2).
ловушки, а также зависимости Удъ(Б,), полученные после предварительного облучения структур светом из области ближнего ультрафиолета [5]. Значение Е2* соответствует полевому воздействию, приводящему к резкому росту положительного заряда в исследуемых структурах, характерному для развития процесса ударной ионизации в объеме диэлектрического слоя, и может быть определено непосредственно из зависимости Уа(Б,).
Установлено, что в случае структур 8ьНЮ2(93нм) Е1 =(4,0±0,2) МВ/см, Е2*=(9,7±0,2) МВ/см, а для структур 8ь7Ю2(100нм) Е1*=(4,8±0,2) МВ/см, Е2*=(10±0,2) МВ/см. Используя ранее приведенные формулы, были получены следующие значения: для структур бь7г02 фс=2,1 эВ, Б8=(5,9±0,2) эВ; для структур БьНЮ2 фс=(1,7±0,1) эВ, Б8=(5,б±0,2) эВ, что позволило построить энергетические диаграммы для данных структур (рис.3).
1
5,9 эВ
Рис.3. Энергетические диаграммы структур 8ьНГО2 и 8ь2гО2. Эти данные хорошо согласуются с данными, полученными методами фотоинжекции [2] и электронной туннельной спектроскопии [6].
Литература.
[1] Adamchuk V.K., Afanas'ev V.V. Internal photoemission spectroscopy of semiconductor-insulator interfaces.// Progress in Surface Science. 1992. v.41. N2. pp.109-211.
[2] Afanas'ev V.V., Stesmans A. Electron energy barriers between (100) Si and ultrathin stacks of SiO2, Al2O3 and ZrO2 insulators.// Appllied Phys.Letters. 2001. v.78. N20. pp.3073-3075.
[3] Барабан А.П., Булавинов В.В., Трошихин А.Г.// Письма в ЖТФ. 1993. Т.19. N18. С.27-30.
[4] Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П., Электроника слоев SiO2 на кремнии, Л.: Изд. ЛГУ, 1988. 304с.
[5] Барабан А.П., Дмитриев В.А., Дрозд В.Е., Милоглядова Л.В.// Вестник СПбУ. 2004. Сер.4. Вып.3(№0).
[6] Ma T.P., Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy Study of Ultra-thin HfO2 and HfAlO.// Appl. Phys. Lett. 2003. v.83. N13. p.2605.
Работа поддержана грантом МО РФ А03-2.9-798.
