Моделирование электронного энергетического строения кремния с кристаллографическими дефектами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Арзуманян, Грайр Вагаршакович

• Арзуманян, Грайр Вагаршакович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арзуманян, Грайр Вагаршакович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ НА ЕГО ЭЛЕКТРОННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

1.1. Дефекты, возникающие в полупроводниковых структурах в процессе производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

1.2. Точечные дефекты и их влияние на электронное энергетическое строение кремния.

1.3. Линейные и плоские дефекты в кремнии.

1.4. Выводы и постановка задач диссертационной работы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ БЕЗДЕФЕКТНОГО КРЕМНИЯ КЛАСТЕРНЫМ МЕТОДОМ

2.1. Анализ методов моделирования электронного энергетического строения твердого тела.

2.2. Разработка алгоритма расчета электронного энергетического строения кремния.

2.3. Моделирование электронного энергетического строения бездефектного кремния кластерным методом.

2.4. Выводы.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ КРЕМНИЯ СОДЕРЖАЩЕГО ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ

3.1. Электронное энергетическое строение кремния, содержащего структурную вакансию.

3.2. Электронное энергетическое строение кремния, содержащего атом замещения титана или вольфрама.

3.4. Электронное энергетическое строение кремния, содержащего атом замещения титана (вольфрама) и структурную вакансию.

3.5. Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ ТОНКИЕ СЛОИ ВОЛЬФРАМА И ТИТАНА

4.1. Электронное энергетическое строение гетероструктуры кремний-моноатомный слой вольфрама-кремний.

4.2. Электронное энергетическое строение гетероструктуры кремний-моноатомный слой титана-кремний.

4.3. Электронное энергетическое строение гетероструктуры кремний-титан-кремний с различной толщиной металлического слоя.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование электронного энергетического строения кремния с кристаллографическими дефектами»

Микроэлектроника как один из основных двигателей научно-технических достижений, стимулирует как фундаментальные научные исследования, так и развитие различных технологии. Ни одна отрасль современной промышленности не может сравниться с микроэлектроникой по разнообразию технологий, динамике развития и быстроте ее изменения. За последние 40 лет она прошла ряд этапов от интегральных микросхем (ИС) малой степени интеграции, до сверхбольших ИС содержащих несколько сотен тысяч элементов на кристалл /1-3/.

Успехи твердотельной электроники всецело связаны с достижениями физики и техники полупроводников, развитие которых происходит по четырем основным направлениям /4/: открытие новых физических явлений в полупроводниках и детальное изучение механизма протекания этих явлений в различных условиях; синтез новых полупроводниковых материалов с заранее заданными свойствами; разработка новых и совершенствование имеющихся технологий выращивания, очистки и легирования полупроводников; создание новых и совершенствование существующих полупроводниковых приборов. Эти четыре направления развиваются параллельно, и тем не менее сильно влияют друг на друга. Так, открытие нового физического явления практически приводит к созданию нового типа полупроводникового прибора. Это в свою очередь приводит к поиску полупроводника, в котором это явление проявляется наиболее ярко.

В технологии изготовления полупроводниковых приборов (ПП) и ИС используется большое количество полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия и другие, основным из которых является кремний. По данным на 1995 г. мировой объем продажи пластин других полупроводниковых материалов составил всего 5.9 % от объема продажи кремниевых структур /5/. Столь широкое применение кремния, по сравнению с другими полупроводниковыми материалами, объясняется целым рядом его особенностей и практически неограниченными природными запасами. Основными способами получения монокристаллов кремния является метод Чохральского и метод бестигельной зонной плавки, соответственно «85 % и «15 % от общего объема производства монокристаллов кремния, причем почти 100% монокристаллов, полученных этими способами, выращиваются с бездислокационной и бездвойниковой структурой /6,7/.

При изготовлении ПП и ИС полупроводниковая пластина, уже содержащая различные дефекты, тип и концентрация которых зависит от технологии выращивания монокристалла, проходит целый ряд сложных технологических операций, в процессе которых она подвергается различным термическим и физико-химическим воздействиям. В результате этих воздействий в полупроводниковой подложке формируются активные и пассивные элементы, а также генерируются различные нежелательные кристаллографические дефекты, которые в ряде случаев достаточно сильно изменяют электрофизические свойства элементов ИС.

Одной из наиболее важных характеристик твердого тела является его электронное энергетическое строение (ЭЭС). Знание особенностей ЭЭС позволяет с самых общих позиций понять известные физико-химические свойства твердых тел, предсказать характеристики и свойства приборов на их основе и применить их на практике. Изменение же электрофизических свойств твердого тела обусловлено тем, что любые нарушения кристаллической однородности (геометрические, химические) оказывают влияние на его ЭЭС. Электронные свойства полупроводника особенно чувствительны к дефектам, изменяющим ЭЭС запрещенной зоны, и в частности к дефектам, создающим в запрещенной зоне полупроводника локализованные электронные состояния, называемые также глубокими уровнями (ГУ).

Изучение кристаллографических дефектов в кремнии, с точки зрения их влияния на его ЭЭС, свойства и методы контролируемого введения, во многом связано с решением основной задачи полупроводниковой электроники: создание ПП и ИС с наперед заданными характеристиками. Для решения этой задачи необходимо разработать физические модели различных дефектов, позволяющие уточнить электрофизические параметры полупроводниковых структур и на этой основе осуществить более корректное физическое моделирование характеристик активных элементов ИС, а также обеспечить возможность управления качеством ПП и ИС в процессе их проектирования и изготовления.

Наиболее характерными чертами современной микроэлектроники является рост степени сложности приборов и уменьшение геометрических размеров отдельных элементов полупроводниковых структур. Уменьшение геометрических (горизонтальных и вертикальных) размеров элементов ИС привело к тому, что в настоящее время твердотельная электроника переходит в область наноэлектроники, то есть такую область, в которой размеры активных элементов ИС составляют величины порядка нанометра. Поскольку общее количество атомов в наноструктуре сравнительно невелико, то, во-первых, электрофизические характеристики этих структур будут отличатся от характеристик обычных полупроводниковых микроструктур, а во-вторых, такие структуры более чувствительны к различным кристаллографическим дефектам. Комплексное решение возникающих при этом задач, в частности, причин возникновения дефектов в процессе изготовления полупроводниковых структур, влияние дефектов на их электрофизические характеристики и эволюция дефектов на последующих этапах изготовления и эксплуатации ИС, зависит, в значительной степени, от развития фундаментальных исследований теоретического характера, необходимых для объяснения и предсказания процессов, происходящих в такого рода наноструктурах.

Разработка расчетных методов диагностики электрофизических свойств материалов твердотельной электроники, в том числе и их ЭЭС, является в настоящее время достаточно актуальной задачей. Теоретические исследования в этой области представляют особый интерес, так как имеющиеся экспериментальные результаты неоднозначны и, как правило, получены на образцах, имеющих сложную дефектную структуру.

Таким образом, целью диссертационной работы является исследование ЭЭС кремния с точечными дефектами и гетероструктур на его основе

Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

- анализ существующих методов теоретического исследования ЭЭС твердого тела;

- разработка методики и алгоритма расчета ЭЭС кремния, позволяющих исследовать влияние кристаллографических дефектов на его ЭЭС;

- анализ влияния различных моделей распределения потенциала в бездефектном кремнии на его расчетную ЭЭС и выбор модели, которая наиболее полно отражает его ЭЭС;

- исследование влияния точечных дефектов, в частности, структурных вакансий, дефектов типа примесный атом замещения и комплексов примесный атом замещения - структурная вакансия, связанных с атомами титана или вольфрама в кремнии, на его ЭЭС; исследование электронного строения гетероструктур типа полупроводник-металл-полупроводник, в частности, кремний-титан-кремний и кремний-вольфрам-кремний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета локальных изменений ЭЭС твердых тел, возникающих вблизи дефектов кристаллической структуры;

- в рамках разработанной методики исследовано влияние структурной вакансии, атомов замещения титана или вольфрама и дефектов типа атом замещения - структурная вакансия, связанных с атомами титана или вольфрама в кремнии на его ЭЭС;

- исследовано ЭЭС следующих гетероструктур: 1) гетероструктура кремний-вольфрам-кремний, в которой одна из атомных плоскостей (100) кремния замещена атомами вольфрама; 2) гетероструктура кремний-титан-кремний, в которой одна из атомных плоскостей (110) кремния замещена атомами титана; 3) гетероструктура кремний-титан-кремний, в которой несколько (две, четыре или шесть) атомных плоскостей (111) кремния замещены атомами титана.

Практическая ценность:

- разработан универсальный пакет программ на Фортране-90, позволяющий рассчитывать ЭЭС твердого тела, содержащего различные кристаллографические дефекты; результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования электрофизических параметров полупроводниковых структур и физического моделирования активных элементов ИС на этапах их проектирования и разработки.

Методы исследования основываются на применении принципов зонной теории твердого тела, теории многократного рассеяния электронной волны (рассеянных волн), имитационного моделирования, численных методов линейной алгебры и решений дифференциальных уравнений.

Основные положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованная методика моделирования ЭЭС твердого тела, содержащего кристаллографические дефекты; модель, применяемая для расчета ЭЭС кремния с кристаллографическими дефектами;

- структурная вакансия в кремнии приводит к появлению в его запрещенной зоне двух дополнительных энергетических состояний, ЕУ + 0.2эВ и Ес - 0.2 эВ;

- атомы замещения титана или вольфрама не создают ГУ в запрещенной зоне кремния; с дефектом типа структурная вакансия-примесный атом замещения титана связано два ГУ: Ес -0.30 эВ и Ес -0.51 эВ; с комплексом структурная вакансия-примесный атом замещения вольфрама связан один ГУ - Ес - 0.24 эВ;

- модели ЭЭС гетероструктур кремний-моноатомный слой вольфрама-кремний, кремний-моноатомный слой титана-кремний и кремний-титан-кремний с различной толщиной металлического слоя.

Апробация диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре "Конструирование и производство ЭВС" (г. Москва), в Московском государственном институте электронной техники (ТУ) на кафедре общей физики (г. Москва), в КБГУ на объединенном семинаре кафедр микроэлектроники, физики твердого тела и общей физики (г. Нальчик), в ДГТУ (г. Ростов-на-Дону), а также на Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, Дивноморск, 1995-1998 гг.), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, Дивноморск, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции аспирантов и студентов "Новые информационные технологии, информационное, программное и аппаратное обеспечение." (Таганрог, 1995 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 1995 -1999 гг.), Международной конференции "Математические модели физических процессов и их свойства" (Таганрог, 1997 г.), а также при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ и гранта "Разработка электрофизических моделей новых полупроводниковых приборов, сформированных методом лазерографии".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано два отчета по НИР.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертации проведен анализ экспериментальных данных о влиянии кристаллографических дефектов в кремнии на его ЭЭС и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ основных теоретических методов расчета ЭЭС твердых тел. В рамках выбранного метода исследования ЭЭС, подробно изложена методика расчета, основанная на кластерном варианте теории многократного рассеяния электронной волны на системе кристаллических muffin-tin (МТ) потенциалов. Разработан алгоритм расчета ЭЭС. Обсуждены и исследованы различные модели распределения потенциала в кристаллическом кремнии. На основе анализа сложности вычислительного эксперимента и качества получаемых результатов, выбрана оптимальная модель ЭЭС кремния, полученная при рассмотрении кластера состоящего из 87 атомов, с зарядами МТ-сфер равными заряду сферы радиуса 0.260а и обменным потенциалом в приближении локального функционала электронной плотности (ЛФЭП).

Третья глава посвящена изучению влияния различных точечных дефектов (структурной вакансии, атомов замещения и дефектов типа "атом замещения-структурная вакансия", связанных с атомами титана или вольфрама) в кремнии на его ЭЭС.

Исследования ЭЭС кремния, содержащего структурную вакансию показали, что в запрещенной зоне кремния возникают дополнительные энергетические состояния, обусловленные как самой структурной вакансией, так и близлежащими к нему атомами кремния.

Исследования ЭЭС кремния, содержащего атом замещения титана или вольфрама, показали, что в запрещенной зоне кремния не возникают дополнительные энергетические состояния. На основе этих результатов высказано предположение, что атомы d- металлов в замещающей позиции не создают ГУ в кремнии, а наблюдаемые в ряде экспериментов ГУ скорее всего связаны с более сложными дефектами, в состав которых входит примесный атом металла.

Моделирование ЭЭС кремния, содержащего структурную вакансию и примесный атом замещения титана, показало, что в запрещенной зоне кремния возникают два ГУ: Ес - 0.30 эВ и Ес - 0.51 эВ. С комплексом структурная вакансия-примесный атом замещения вольфрама, скорее всего связан один ГУ Ес - 0.24 эВ.

В четвертой главе исследована ЭЭС гетероструктур нескольких типов: 1) кремний-вольфрам-кремний, представляющая собой кристаллический кремний, в котором, одна из атомных плоскостей (100) замещена атомами вольфрама; 2) кремний-титан-кремний, в которой одна из атомных плоскостей (110) кремния замещена атомами титана; 3) кремний-титан-кремний, представляющая собой кристаллический кремний, в котором, несколько (две, четыре или шесть) атомных плоскостей (111) замещены атомами титана. Установлено, что во всех типах гетероструктур ЭЭС атомов кремния, расположенных на расстоянии >1.2« от границы раздела металл-полупроводник, не отличается от ЭЭС кристаллического кремния, а у атомов, по крайней мере, двух близлежащих к границе раздела атомных плоскостей кремния зона проводимости и валентная зона перекрываются. Выполненные расчеты ЭЭС позволили в первом приближении определить распределение потенциала в этих гетероструктурах.

Полученные результаты могут быть использованы для уточнения электрофизических параметров полупроводниковых структур и на этой основе осуществить более корректное физическое моделирование характеристик активных элементов ИС, что в свою очередь даст возможность управлять качеством ПП и ИС в процессе их изготовления.

Диссертация выполнена на кафедре физики Таганрогского государственного радиотехнического университета.