Научная статья на тему 'Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике'

Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
202
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ДИФФУЗИЯ / ОБЛАСТЬ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА / ДИОД ШОТТКИ / DIFFUSION / SPACE CHARGE REGION / SCHOTTKY DIODE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Богданов Сергей Александрович, Захаров Анатолий Григорьевич, Писаренко Иван Вадимович

Проведено моделирование процесса перераспределения атомов электрически активных примесей в электрическом поле области пространственного заряда диода Шоттки. Анализ результатов моделирования указывает на возможность контролируемого перераспределения легирующих примесей на глубинах порядка десятков нанометров, обусловленного диффузией электрически активных атомов в электрическом поле области пространственного заряда диода Шоттки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Богданов Сергей Александрович, Захаров Анатолий Григорьевич, Писаренко Иван Вадимович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The influence of electric field of junction with Schottky barrier on the impurity atoms relocation in semiconductor

The simulation of the process of the electrically active impurities relocation in the electric field of Schottky diode space charge region has been made. The analysis of the simulation results shows the possibility of controlled alloying impurities relocation on the depth about tens of nanometers caused by electrically active atoms diffusion in the electric field of Schottky diode space charge region.

Текст научной работы на тему «Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике»

Влияние электрического поля контакта с барьером Шоттки на перераспределение примесных атомов в полупроводнике С.А. Богданов, А.Г. Захаров, И.В. Писаренко

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Миниатюризация активных элементов современных интегральных схем (ИС) неразрывно связана с совершенствованием технологических операций их формирования. При переходе к топологическим размерам элементов ИС порядка десятков нанометров возникают задачи целенаправленного формирования воспроизводимых профилей распределения легирующих примесей, с целью совершенствования и разработки новой элементной базы твердотельной электроники на основе наноразмерных гетероструктур [1].

Развитие методов исследования структур твердотельной электроники, разработка и изготовление контактов металл-полупроводник с барьером Шоттки для терагерцовых применений - стимулируют исследователей к изучению и оптимизации свойств контактов металл-полупроводник малых размеров. Электрофизические свойства и характеристики контактов металл-полупроводник, такие как высота барьера Шоттки и контактная разность потенциалов, распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника, напряжение пробоя и емкость, а также последовательное и дифференциальное сопротивления диода, частота отсечки и интенсивность отказов во многом определяются свойствами границы раздела металл-полупроводник, наличием в полупроводнике дефектов кристаллического строения [2].

В приближении полного обеднения в работе [3] проведены расчеты распределения потенциала в полупроводнике вокруг сферических и цилиндрических наноконтактов. Показано, что наноконтакты имеют слабую

зависимость емкости от напряжения, большее, чем в плоском случае, снижение высоты барьера Шоттки за счет сил изображений, а также малую инерционность отклика до частот терагерцового диапазона. В работе [4] рассмотрено влияние краевых эффектов, связанных в основном с конечными размерами металлического электрода, на распределение потенциала в контакте металл-полупроводник. Предложенная авторами методика определения электростатического потенциала в полупроводниковом материале контакта металл-полупроводник с барьером Шоттки, основана на численном решении уравнения Пуассона в трехмерной системе координат. Приведенная в [5] модель процесса деградации контактов металл-полупроводник с барьером Шоттки, основанная на совместном решении уравнений Пуассона и диффузии позволяет оценить время наработки на отказ при постепенном отказе диодов Шоттки.

В настоящее время существует ряд контролируемых методов изменения концентрации легирующих примесей в приповерхностной области полупроводника [6]: эпитаксиальное выращивание, диффузия, разделение примесей на границе полупроводник - внешняя фаза за счет геттерирования внешней фазой (испарения, термического окисления), ионная имплантация и др.

Целью настоящей работы является моделирование процесса перераспределения атомов электрически активных примесей в электрическом поле области пространственного заряда диода Шоттки, а также исследование возможности целенаправленного изменения их концентрации в приповерхностной наноразмерной области полупроводника.

Рассмотрим контакт металл-кремний п-типа проводимости. Как и в [5] будем считать, что на границах раздела полупроводник-среда отсутствуют зарядовые состояния, свойства полупроводника изотропны, между полупроводником и металлическим электродом отсутствует слой диэлектрика, а также не будем учитывать влияние электрических сил изображения на распределение потенциала в области пространственного

заряда полупроводника. Тогда процесс перераспределения атомов однозарядных электрически активных примесей в электрическом поле области пространственного заряда (ОПЗ) контакта металл-полупроводник можно описать с помощью системы уравнений - уравнений диффузии в электрическом поле [7-9] и уравнения Пуассона:

где , Ыа - концентрации ионизированных атомов донорной и акцепторной

примесей соответственно; , Ба - их коэффициенты диффузии; q -элементарный заряд; Т - абсолютная температура; к - постоянная Больцмана; р - распределение потенциала в ОПЗ контакта металл-полупроводник с барьером Шоттки; е0 - электрическая постоянная; е -диэлектрическая проницаемость полупроводника; п, р - концентрации свободных носителей заряда электронов и дырок соответственно.

Концентрации свободных носителей зарядов, а также ионизированных атомов однозарядных донорной и акцепторной примесей определяются известным образом [10, 11]. При наличии в полупроводнике многозарядных примесных центров, формирующих в запрещенной зоне полупроводника несколько глубоких энергетических уровней (ГУ), для определения их степени ионизации следует использовать методику, рассмотренную в [2], определив положение уровня Ферми в объеме полупроводника из условия электронейтральности

При моделировании в широком диапазоне температур необходимо учитывать температурные зависимости коэффициентов диффузии примесей

(1)

дх 2 е о

п - р = -Ма + .

(2)

Б(Т) и ширины запрещенной зоны полупроводника Е, (Т), которая для кремния описывается следующей эмпирической зависимостью [10]:

аТ 2

Е, (Г) = Е, (°) - —, (3)

где: а = 4,73 • 10-4 эВ • К-1, р = 636 К - коэффициенты; Е,(0) = 1,17 эВ - ширина.

запрещенной зоны при 0 К.

Моделирование перераспределения атомов электрически активных примесей в электрическом поле области пространственного заряда контакта металл-полупроводник с барьером Шоттки проведем для случая электродиффузии атомов фосфора в кремнии. Будем считать, что распределение фосфора в кремнии описывается функцией Гаусса [12], которой часто аппроксимируют распределение примеси при ионной имплантации:

(х) = N0 + —.9 г— ехР

q•АЯрV2ж

(х - Яр )П

(4)

где: 0 - доза легирования; Яр - средний проективный пробег ионов; АЯР -стандартное отклонение; М0 - первоначальная концентрация примеси.

Примем 0 = 2,5 -10-6 мкКл/см2 , Яр = 100 нм , АЯр = 30 нм , N0 = 1013 см-3 .

Концентрационные профили распределения фосфора в кремнии приведены на рис. 1., на рис. 2 они же в приповерхностной наноразмерной области полупроводника. На рисунках: кривая 1 - исходное распределение атомов фосфора, рассчитанное по (6); кривая 2 - распределение атомов фосфора, полученное на основе решения (1), для температуры полупроводника Т = 1073 К, времени диффузии 15 минут при величине

потенциала на поверхности полупроводника = -0,1 В; кривая 3 -

распределение атомов фосфора, полученное на основе решения (1), для температуры полупроводника Т = 1073 К, времени диффузии 30 минут при

величине потенциала на поверхности полупроводника = -0,1 В; кривая 4 -

Рис. 1. Концентрационные профили распределения фосфора в кремнии

Рис. 2. Концентрационные профили распределения фосфора в кремнии в приповерхностной наноразмерной области полупроводника

распределение атомов фосфора в результате 30 минутной термической диффузии при температуре полупроводника Т = 1073 К, без учета

электрического поля ОПЗ диода Шоттки; кривая 5 - распределение атомов фосфора, полученное на основе решения (1), для температуры полупроводника Т = 1073 К, времени диффузии 15 минут при величине

потенциала на поверхности полупроводника рБ = 0,2 В.

Анализ результатов моделирования указывает на возможность контролируемого перераспределения легирующих примесей на глубинах порядка десятков нанометров, обусловленного диффузией электрически активных атомов в электрическом поле ОПЗ диода Шоттки. Представляется целесообразным исследовать возможность формирования концентрационных профилей сложной формы в наноразмерном приконтактном слое, модулируя напряженность электрического поля у поверхности полупроводника по определенному закону.

Предложенная модель перераспределения атомов электрически активных примесей в ОПЗ полупроводника контакта металл-полупроводник с барьером Шоттки может быть использована при проектировании элементов ИС с улучшенными значениями отдельных параметров, а также при разработке новой элементной базы твердотельной электроники на основе наноразмерных гетероструктур.

Литература:

1. Иващенко С.Н. Энергетическая структура и применение сверхрешеток

[Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010, № 2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2010/189 (доступ

свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Богданов С.А., Захаров А.Г., Писаренко И.В. Влияние многозарядных

примесных центров на распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 1. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1530 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Востоков Н.В., Шашкин В.И. Электрические свойства наноконтактов металл-полупроводник [Текст] // Физика и техника полупроводников. - 2004, том 38, № 9. - С. 1084 - 1089.

4. Богданов С.А., Захаров А.Г., Лытюк А.А. Моделирование распределения потенциала в барьерах Шоттки с учетом краевых эффектов [Текст] // Нано - и микросистемная техника. - 2011, № 5. - С. 12-15.

5. Богданов С.А., Захаров А.Г., Лытюк А.А. Диффузионная модель процесса деградации контактов металл-полупроводник с барьером Шоттки [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012, № 1. - С. 53 - 58

6. Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике [Текст] / М.: Радио и связь. - 1987. - 256 с.

7. Абдуллаев Г.Б., Джафаров Т.Д. Атомная диффузия в полупроводниковых структурах [Текст] / М.: Атомиздат, 1980. - 280 с.

8. Jansson F., Osterbacka R., Nenashev A.V., Baranovskii S.D., Gebhard F. Effect of electric field on diffusion in disordered materials [Текст] // Annalen der Physik (Leipzig). -2009. Т. 18. № 12. - P. 856 - 862.

9. Lipovskii A.A., Omelchenko A.V., Petrov M.I. Modeling charge transfer dynamics and electric field distribution in glasses during poling and electrostimulated diffusion [Текст] // Technical Physics Letters. - 2010. Т. 36. № 11. - P. 1028 - 1031.

10. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов [Текст]/М.: Энергия, 1973. - 656 с.

11. Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках [Текст] / М.: Мир. - 1977. - 562 с.

12. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов [Текст] / Под. ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхема: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. - 496 с.: ил.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.