КРЕМНИЕВЫЕ МДП-ВАРИКАПЫ С ДВУХСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ ИЗ ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

April 5, 2012 by admin Комментировать »

Рожков В. А., Родионов М. А., Пашин А. В., Гурьянов А. М. Самарский государственный университет ул. акад. Павлова, 1, Самара – 443011, Россия Тел.: (8462)34-54-55; e-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Аннотация – Исследованы электрофизические свойства МДП-структур Al-Dy203-Gd203-Si. Установлено, что электропроводность МДП-структур на постоянном токе удовлетворительно описывается механизмом Пула – Френкеля. Определены значения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник – диэлектрик, величины скорости поверхностной генерации и времени жизни неосновных носителей заряда. Показана перспективность использования исследованных структур в качестве МДП- варикапов и параметрических СВЧ диодов.

I.  Введение

Развитие микроэлектроники вызывает необходимость поиска новых перспективных диэлектрических материалов. К таким материалам относятся оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ), которые характеризуются высокой химической и термической стойкостью, большими значениями диэлектрической проницаемости (s = 8-20) и удельного сопротивления (р=1013-1016 Ом-см), обладают хорошей адгезией к поверхности кремния. На их основе разработаны МДП-варикапы и фотоварикапы, МДП-транзисторы, электрические и тепловые переключатели, термостойкие и эффективные просветляющие и пассивирующие диэлектрические покрытия для фотоэлектрических приборов. Целью данной работы являлось исследование электрофизических свойств МДП- структур с двухслойными диэлектрическими пленками из оксида гадолиния и оксида диспрозия.

II.  Основная часть

Образцы для исследования изготавливались на кремниевых монокристаллических подложках марки КЭФ-5 и КДБ-4,5 с ориентацией (111) и (100) соответственно. Перед нанесением диэлектрика кремниевые пластины проходили ультразвуковую мойку в ацетоне в течение 10 мин. и затем сушились на воздухе. Пленки РЗЭ наносились методом термического распыления редкоземельного металла в вакууме при давлении (2-3)-10′5 Тор из молибденовой лодочки на установке типа ВУП-5. На кремниевые подложки последовательно напылялись слои гадолиния и диспрозия. Полученные двухслойные пленки РЗЭ окислялись в трубчатом кварцевом реакторе, помещенном в муфельную печь типа СУОЛ-О.4.4, на воздухе при температуре 500-520 °С в течение 40 мин. Толщина каждого диэлектрического слоя оксида РЗЭ в исследуемых структурах лежала в пределах 350-400 А. Контакты к диэлектрическому слою изготавливались вакуумным термическим напылением алюминия через трафарет. Площадь металлического электрода составляла 2,7-10′3 см2. С противоположной стороны кремниевой пластины наносился сплошной контакт из алюминия.

Установлено, что вольтамперные характеристики МДП-структур, измеренные на постоянном токе, практически симметричны, а электропроводность образцов удовлетворительно описывается механизмом Пула-Френкеля, который представляет собой термическую генерацию электронов из объемных ловушек в зону проводимости диэлектрика, облегченную электрическим полем. Коэффициенты выпрямления для различных образцов лежали в пределах 1,1-2. Величины удельного сопротивления двухслойных пленок оксидов РЗЭ, определенные из ВАХ, составляют 1012-1014 Ом-см.

Исследование свойств границы раздела полупроводник – диэлектрик в МДП-структурах осуществлялось с помощью измерения высокочастотных вольт- фарадных характеристик. На рис.1 изображены типичные вольтфарадные характеристики МДП-систем Al-Dy203-Gd203-Si нормированные к емкости диэлектрика, а также теоретически рассчитанные характеристики, для идеальной МДП-структуры [1].

Из графиков видно, что для исследуемых образцов экспериментальные кривые смещены относительно идеальных в сторону отрицательных напря-

V.V

Рис. 1. Нормированные к емкости диэлектрика вольтфарадные характеристики структуры АШугОз-вс/гОз-п Si (1, 2) и AI-Dy203-Gd203-pSi (3, 4): 2,3- теоретические зависимости,

1,4- экспериментальные зависимости.

Fig. 1. Volt-farad-characteristics of structure normalized to dielectric capacitance AI-Dy203-Gd2C>3-nSi (1, 2) and AI-Dy203-Gd2C>3-pSi (3, 4): 2,3- theoretical dependences, 1,4- experimental dependences

жений, что свидетельствует о наличии встроенного положительного заряда в диэлектрике и на границе раздела полупроводник – диэлектрик. Наличие положительного встроенного заряда характерно для термически выращенных окисных пленок [2]. Величина поверхностной плотности встроенного заряда в диэлектрике Qss, определенная для случая плоских зон на поверхности полупроводника, равнялась 8,9-10“8 Кл/см2. Плотность поверхностных состояний при напряжении плоских зон в исследованных образцах составляла 5,6-Ю11 см’2. Величины коэффициентов перекрытия по емкости для измеренных структур изменялись в пределах 9-12.

Исследование зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgS и активной составляющей проводимости G от приложенного напряжения V при частоте сигнала 1 МГц показало, что характеристики tgS от V имеют максимум при напряжении плоских зон и тенденцию к насыщению в области напряжений, соответствующих аккумуляции и инверсии на поверхности полупроводника. При этом величины тангенса угла диэлектрических потерь в области напряжений, соответствующих аккумуляции поверхности полупроводника основными носителями заряда, превышали аналогичные значения для области инверсии. На кривых G от V наблюдается плавный рост проводимости при переходе от обеднения к обогащению и насыщение ее в области напряжений, соответствующих инверсии и аккумуляции поверхности полупроводника. Значения проводимости для исследуемых структур при различных напряжениях лежат в пределах от 0,0028 до 0,72 мСм. Величина tgS изменяется в интервале от 0,018 до 0,381.

Для определения скорости поверхностной генерации и времени жизни неосновных носителей заряда проведено измерение кинетических зависимостей емкости при неравновесном обеднении поверхности полупроводника основными носителями заряда, создаваемом прямоугольными импульсами напряжения. Объемное время жизни г и скорость поверхностной генерации неосновных носителей заряда S рассчитывались по методике Цербста [3]. Для этого полученные зависимости емкости от времени перестраивались в координатах Цербста, где характеристики имеют прямолинейный вид. Скорость поверхностной генерации неосновных носителей заряда S у исследуемых структур изменяется в пределах 47-67 см/с, а объемное время жизни г принимает значения 0,3-0,6 мкс.

I.    Заключение

Таким образом, проведенные исследования показывают, что изученные структуры обладают высокими коэффициентами перекрытия по емкости, хорошими изолирующими свойствами, высоким качеством границы раздела полупроводник-диэлектрик и перспективны для создания МДП-варикапов и параметрических СВЧ диодов

II.   Список литературы

[1] Goetzberger A. Ideal MOS-curves for silicon. // Bell System Technical Journal. – 1966. – Vol. 45. – № 7. – P. 1097-1121.

[2] Вдовин О. С., Кирьяшкина 3. И., Котелков В. Н. и др. Пленки оксидов редкоземельных элементов в МДМ- и МДП-структурах. Саратов: Саратовский университет, 1983.- 160 с.

[3] Zerbst М. Relaxationeffekte an Halbleiter-lsolator- Grenzflachen. // Zeit. angew. Phys. -1966. – В. 22. – № 1. –

S.   30-33.

SILICON MIS-VARACTORS WITH THE DOUBLE LAYER DIELECTRIC FILMS FROM RARE-EARTH OXIDES

Rozhkov V. A., Rodionov M. A.,

Pashin A. V., Guriyanov A. M.

Samara State University 1 Acad. Pavlov St., Samara – 443011, Russia Phone: (8462) 345455 E-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Abstract – Electrical and physical properties of Al-Dy203– Gd203-Si MIS-structures have been investigated. Values of surface states density on interface: semiconductor – dielectric, values of surface generation velocity and lifetime of minority charge carriers were determined.

I.  Introduction

Development of microelectronics calls necessity of search of new perspective dielectric materials. Rare-earth oxides (REO) belong to these materials that are characterized with high chemical and thermal constancy large values of dielectric constant (s=8-20) and unit area resistance (p=1013-1016

Om-cm). The purpose of this work is research of electrical and physical properties of MIS-structures with double-layer dielectric films from gadolinium oxide and disprosium oxide.

II.  Main part

It is stated that voltage-current characteristics of Al-Dy203– Gd203-Si MIS- structures measured on direct current are practically symmetric and electrical conductivity of samples is satisfactorily described by mechanism of Pool-Frenckel.

Investigations of properties of interface: semiconductor- dielectric in MIS-structures is carried out with help of measure of high-frequency farad-voltage characteristics. They were recorded at 1 MHz frequency onto the tape of a self-recording potentiometer. In Fig. 1 typical voltage-farad characteristics of Al-Dy203-Gd203-Si MIS-systems normalized by the oxide capacity and theoretically calculated characteristics for ideal MIS- structure are drawn. The high values of the dielectric permittivity of oxide films provide a high specification of the studied structures. The slope of volt-farad characteristics, the specific capacity of the dielectric and the capacitance overlapping coefficient grow higher with the decrease of dielectric thickness and they are 3-5 times higher for the structures with REO films than for similar structures with dielectric material (Si02, Sio,Si3N4, etc.). It is seen from graphs that experimental curves were displaced in accordance with ideal curves to the side of negative voltage. This result is an indication of positive building charge into dielectric and on interface: semiconductor-dielectric. Value of surface density of building charge in into dielectric Qss defined for cases of flat zones potential on surface of semiconductor was equal 8,9-1 O’8 Coul/cm2. Surface state density in the samples was equal 5,6-1011 cm’2. Values of the capacitance overlapping coefficient for measure of structures were equal 9-12.

For definition of surface generation velocity and lifetime of minority charge carriers measure of kinetic dependencies of the capacity C(t) by nonequilibrium impoverishment of semiconductor surface with main carriers created with rectangular voltage impulses. Bulk lifetime т and surface generation velocity of minority charge carriers S were calculated on methodic of Zerbst [3]. Surface generation velocity S by investigated structures changes beyond the bounds 47-48 cm/s and lifetime takes value 0.3-0.6 |xS.

III. Conclusion

The carried out investigations show that structures to be studied have the high capacitance overlapping coefficient with high quality of interface: semiconductor-dielectric and perspectives for creation of MIS-varactors and parametrical microwave frequency diodes.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты