Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 2, стр. 155-159

1. ВВЕДЕНИЕ

Важной особенностью полупроводников является сильная зависимость их электрических и оптических свойств от состояния поверхности и способов поверхностной обработки. При любых поверхностных обработках полупроводниковые кристаллы-подложки помимо собственных поверхностных состояний, обусловленных прерыванием периодичности потенциала кристаллической решетки, приобретают и другие, несобственные поверхностные состояния, обусловленные возмущением потенциала идеальной атомно-чистой поверхности. Наличие локальных поверхностных уровней энергии приводит к тому, что электроны и дырки могут “прилипать” к поверхности, образуя поверхностный электрический заряд. При этом под поверхностью формируется равный по величине и противоположный по знаку пространственный заряд, который приводит к перераспределению подвижных носителей заряда и изменению приповерхностных свойств полупроводников. Подобная электронная модификация проявляется в ослаблении явлений, связанных с использованием эффектов поля, люминесценции, фото- и поверхностной проводимости, в изменении работы выхода [1, 2].

Цель работы – исследование влияния плазменной микрообработки в различных химически активных газовых средах на свойства кремниевых МДП структур.

2. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В экспериментах использовались кристаллы кремния (100) различных типов проводимости с удельным сопротивлением 0.01…0.02 Ом см. После низкоэнергетичного СВЧ плазмохимического травления в среде хладона-14 или аргона на подзатворную область структуры в том же технологическом цикле осаждались последовательно герметизирующий туннельно тонкий (10–20 нм) слой карбида кремния и слой диоксида кремния толщиной 0.5 мкм. На области стока и истока осаждался слой аморфного кремния толщиной 20 нм. Затем на все области наносились металлические контакты. Фиксирование данных измерений производилось с применением АЦП. Подача напряжений осуществлялась с помощью двухканального блока ATTEN APS3005S-3D.

На рис. 1 приведены ВАХ МДП структур при положительной полярности напряжения на затворе для кристаллов кремния р-типа и отрицательной полярности для кристаллов кремния n-типа после их плазменного травления в различных плазмообразующих средах. Видно, что для кристаллов р-типа при разности потенциалов исток–сток около 3.5 В наблюдается пересечение ВАХ. При U < 3.5 В большие токи при одинаковых напряжениях реализуются при травлении кристаллов кремния в плазме хладона-14. При U = 2–2.5 В крутизна ВАХ на структуре обработанной в плазме аргона увеличивается и при U > 3.5 В токи при травлении в плазме аргона превышают токи в структурах, обработанных в плазме хладона-14. При плазменной обработке кристаллов кремния n-типа в среде хладона-14 с отрицательным потенциалом на затворе начало роста тока происходит при меньшем на 3.5–4 В напряжении между истоком и стоком, чем в плазме аргона.

Рис. 1.

ВАХ МДП-структур при положительной полярности напряжения на затворе для кристаллов кремния р-типа (а) и отрицательной полярности для кристаллов кремния n-типа (б) после травления в различных плазмообразующих средах: 1 – аргоне; 2 – хладоне-14.

На рис. 2 приведены ВАХ МДП-структур для различных полярностей потенциала электрического поля на затворе после плазменной обработки в среде аргона кристаллов кремния р- и n-типов. Из рис. 2а можно видеть, что для МДП-структур на основе кристаллов кремния р-типа при положительном потенциале на затворе и разности потенциалов между истоком и стоком до 3.5 В токи меньше, чем при отрицательном. При разности потенциалов исток–сток больше 3.5 В рост тока ВАХ при положительном потенциале на затворе значительно опережает рост тока при отрицательном потенциале. Для кристаллов n-типа кривые ВАХ при положительном потенциале на затворе располагаются в области более низких напряжений между истоком и стоком, а их крутизна и величины токов выше, чем при отрицательном потенциале (рис. 2б). Начало роста тока при положительном потенциале наблюдается при 1.5–2 В, а при отрицательном потенциале – при 5.5–6 В и значительно меньшей крутизне ВАХ.

Рис. 2.

ВАХ МДП-структур после плазменного травления кристаллов кремния р- (а) и n- (б) – типов в среде аргона при различной полярности напряжении на затворе: 1 – U > 0; 2 – U < 0.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные закономерности изменения ВАХ МДП-структур в зависимости от вида плазмообразующей среды использованной при плазменном травлении кристаллов кремния могут быть интерпретированы следующим образом. При использовании низкоэнергетичной плазмы аргона травление пластин кремния осуществляется по ионно-физическому механизму за счет распыления атомов кремния и частиц его естественного окисла ускоренными ионами. За счет инертности аргона, какие-либо химические связи с поверхностными атомами кремния не образуются. В результате этого поверхность кремния приобретает структуру и плотность оборванных (ненасыщенных) связей, характерных для атомно чистой поверхности кремния заданной кристаллографической ориентации [2].

При ионно-плазменной обработке кремния в плазме CF₄ химически активными частицами являются ионы С⁺, ${\text{CF}}_{n}^{ + },$ где n = 1…4, а также радикалы CF_n и нейтральные атомы фтора, которые при хемосорбции образуют адкомплексы Si–C и Si–F [4]. Хемосорбированные комплексы SiC и SiF имеют сильные энергии химической связи (4.55 и 5.6 эВ соответственно) и пассивируют часть оборванных (ненасыщенных) химических связей поверхностных атомов кремния, уменьшая их поверхностную плотность.

Формирование ненасыщенных электронных связей при плазмохимическом травлении приводит к появлению локализованных на поверхности полупроводника состояний, которые в зависимости от степени сродства к электрону и дырке, положения уровня Ферми на поверхности могут проявлять себя как донорные или акцепторные ловушки захвата или рекомбинационные центры [1, 2]. Прочность ненасыщенных электронных связей существенно меньше, чем прочность насыщенных ковалентных связей, которые имеют место в равновесных электронных конфигурациях объемных атомов. Кроме того, присутствие электронных поверхностных состояний на поверхности полупроводника возмущает электронную структуру в объеме и делает ее энергетически невыгодной. Поэтому поверхностные атомы кремния, имеющие ненасыщенную химическую связь, действуют как дырочные ловушки, заряжаясь положительно при переходе электрона в объем полупроводника (такие поверхностные состояния, как известно, называются донорными). Это приводит к образованию на поверхности трехвалентного кремния с положительным зарядом, поверхностная плотность которого, как показано выше, зависит от вида плазмообразующей среды. При СВЧ-плазменной обработке кремния в атмосфере хладона-14 в результате образования адкомплексов SiC и SiF уменьшается, по сравнению с обработкой в аргоне, величина поверхностного заряда Q_ss и, как следствие, уменьшаются величина встроенного поверхностного потенциала.

У акцепторных полупроводников наличие положительного поверхностного заряда приводит, как известно, к обеднению приповерхностной области основными носителями. Неоднородное распределение заряда приводит к возникновению электростатического потенциала, с направлением электрического поля в объем полупроводника. Ширина области пространственного заряда Q_sр и сопротивление обедненного слоя тем больше, чем больше пространственный заряд, который в случае свободной поверхности и отсутствии внешних полей равен и противоположен по знаку заряду в поверхностных состояниях.

При положительной полярности на затворе МДП-структуры неосновные носители заряда в полупроводнике р-типа туннелируют в ловушечные центры на границе кристалла, частично нейтрализуя приложенный внешний потенциал. Так как при травлении в плазме аргона встроенный пространственный потенциал больше, чем при плазмохимическом травлении в среде хладона – 14, то ослабление внешнего поля больше в случае аргона. Благодаря этому концентрация электронов в канале проводимости под затвором в случае аргона ниже и при одинаковой небольшой разности потенциалов исток–сток ток в структуре меньше, по сравнению с обработкой в плазме хладона-14.

При увеличении разности потенциалов между истоком и стоком увеличивается дрейфовая скорость носителей заряда. В случае обработки в плазме хладона суммарное поле, действующее на электроны больше. В результате этого среднее время свободного пробега электронов в области пространственного заряда уменьшается и, как следствие, уменьшается их подвижность [1]. По сравнению с обработкой в плазме аргона, это приводит к большему диффузному рассеянию электронов при соударениях с поверхностью и уменьшению скорости роста тока с увеличением разности потенциалов между истоком и стоком (рис. 1).

При отрицательной полярности на затворе на границе кристалла кремния сохраняется положительный заряд трехвалентных атомов кремния. Он уменьшает отрицательный потенциал на затворе и увеличивает в поверхностном слое концентрацию электронов. При небольших разностях потенциалов между истоком и стоком это способствует увеличению тока, по сравнению с положительным потенциалом на затворе, когда часть ловушечных центров заполняется электронами и они становятся нейтральными (рис. 2а, U < 3.5 В). При увеличении разности потенциалов за счет увеличения дрейфовой составляющей скорости увеличивается вероятность соударения электронов с поверхностью и их туннелирование в поверхностные ловушечные центры. Это уменьшает положительный заряд поверхностных ловушечных состояний и подвижность электронов в слое пространственного заряда вблизи поверхности. Следствием этого является уменьшение поверхностной проводимости и скорости роста тока с увеличением разности потенциалов между истоком и стоком (рис. 2а, U > 3.5 В).

При положительной полярности на затворе кремниевых МДП структур n-типа электроны туннелируют на ловушечные поверхностные уровни. Возникший встроенный заряд электронов частично нейтрализует положительный заряд затвора и уменьшает действующее поле и концентрацию электронов под затвором. За счет кулоновского взаимодействия между одноименными зарядами основных носителей заряда полупроводника и электронами ловушечных поверхностных центров при приложении разности потенциалов между истоком и стоком уменьшается нормальная к поверхности составляющая скорости электронов и диффузное рассеяние электронов. В отсутствие диффузного рассеяния с увеличением разности потенциалов между истоком и стоком ток ВАХ быстро увеличивается (кривая 1 на рис. 2б).

При отрицательной полярности на затворе, встроенный отрицательный заряд на поверхности кристалла, усиливает поле затвора. Это обедняет канал проводимости основными носителями и поверхностная проводимость кристалла уменьшается. В результате этого ток между истоком и стоком начинает увеличиваться при более высоком напряжения между ними, а абсолютные его значения уменьшаются. Смещение между ВАХ структур обработанных в плазме аргона при изменении полярности на затворе с положительной на отрицательную составляет ~4 В (рис. 2б).

В случае плазменной обработки кристаллов кремния n-типа в среде хладона – 14 отрицательное суммарное поле затвора меньше, чем после обработки в среде аргона. Это меньше обедняет канал проводимости основными носителями. В результате этого токи ВАХ в случае обработки в аргоне начинает увеличиваться при более высоком напряжении, а абсолютные их значения уменьшаются. Смещение между ВАХ-структур, обработанных в плазме аргона и хладона, составляет около 3 В (рис. 1б).

Влияние встроенного поверхностного потенциала на крутизну ВАХ МДП-устройств на основе кристаллов кремния различных типов проводимости, а также величину их несимметричности при изменении полярности на затворе может быть использовано, например, при создании специализированных устройств записи и считывания информации, TVS диодов с несимметричной прямой и обратной ветвями ВАХ, других приборов и устройств наносистемной техники.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №16-19-10033).