Моделирование изолирующего потенциала в сверхтонкой (42 Å) пленке окисла кремния

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

На основе ранее выполненных измерений туннельных вольт-амперных характеристик структур металл-SiО2-Si (МОП) проведено моделирование изолирующего рельефа в сверхтонкой (4.2 нм) пленке окисла кремния. Потенциал в диэлектрике задавался в форме трапеции, боковые склоны которой имитировали переходные слои, а верхнее основание — объем SiО2. Вычислены параметры модели — высота барьера и координаты угловых точек трапеции, исходя из требования максимальной близости экспериментальной и теоретической производных по напряжению от логарифма тока. Обнаружены общие, с более тонкими пленками (3.7 нм) окисла кремния, черты изолирующего потенциала: барьер занимает до половины номинального объема диэлектрического промежутка и сдвинут к полевому электроду, а его склон в сторону полупроводниковой подложки гораздо более пологий по сравнению с примыкающим к затвору.

Полный текст

1. Постановка задачи

Сверхтонкие (с толщиной менее 5 нм) слои окисла кремния являются в настоящее время и останутся в перспективе минимум одного-двух десятков лет основным изолятором, используемым в производстве работающих и новых структур наноэлектроники [1]. На это указывают два обстоятельства. Во-первых, при термическом окислении кремния [2], особенно в его наиболее современной форме — радикальном термическом окислении с генерацией водяного пара у поверхности Si (in situ steam generation — ISSG) [3], — удается создавать бездефектные, практически не содержащие электронных ловушек пленки SiO2 с высокими надежностными характеристиками. Это относится к активным элементам для электроизолирующих областей интегральных схем. Во-вторых, достигнуты толщины пленок оксида кремния под затвором в несколько атомных слоев [4]. А материалы-кандидаты на замену окисла кремния таких свойств еще не достигли. Таким образом, массовый переход в наноэлектронной технологии от пленок SiO2 к изолирующим слоям из диэлектриков с проницаемостью, существенно большей, чем у диоксида кремния, или сегнетоэлектриков — это вопрос не ближайшего будущего.

Современные методы проектирования наноэлектронных элементов подразумевают проведение обширных компьютерных вычислений из первых принципов с целью создания численных моделей работы квантовых структур и предсказания значений параметров приборов на их основе [5]. Для построения волновых функций электронов у границы раздела (ГР) кремний–окисел необходимо задавать профиль потенциала в изолирующем слое. В то же время нет никаких теоретических оснований, разрешающих для неупорядоченных материалов, коими являются и окисел кремния, и рассматриваемые в качестве его замены различные керамики, представлять волновую функцию электрона в типичном для метода эффективной массы виде — произведения медленно изменяющейся амплитуды и осциллирующей на атомных расстояниях функции координат [6]. Тем не менее фактически этим представлением пользуется абсолютное большинство исследователей электронных явлений на ГР полупроводник–SiO2. Начиная с 70-х годов прошлого века были проведены в рамках метода эффективной массы расчеты различных квантовых эффектов и развита теория двумерного электронного газа [7]. Применение для описаний явлений на контактах с окислом уравнения Шредингера с эффективной массой электрона m означает, что используемый рельеф потенциала в изолирующем промежутке U(z) (z – координата по нормали к ГР Si–SiO2) и значение m должны быть некими величинами, которые после всех расчетов приводят к совпадающим с экспериментом результатам. Таким образом, функцию U(z) и величину m нужно определять из измерений на пленках SiO2 в опытах, результаты которых зависят от потенциального рельефа в окисле. Для этих целей наиболее подходят эксперименты по туннелированию электронов сквозь изолирующий барьер. Отметим, что при такой постановке эффективные потенциальный рельеф U(z) и масса m становятся зависимыми от индивидуальных особенностей объекта исследований — толщины пленки изолятора и технологии приготовления образца.

Атомная структура неупорядоченного окисла кремния не стыкуется с кристаллическими решетками полупроводников, из которых приготовляются активные элементы наноэлектроники. Поэтому на ГР Si–SiO2 возникает переходный слой, и его минимальная толщина при термическом окислении кремния составляет 2 атомных слоя [8]. Для сверхтонких оксидов переходы между кристаллической подложкой и SiО2, а также между окислом и затвором, например, из поли-Si, занимают от 35 до 100 процентов объема сверхтонкого изолятора [8]. Чем тоньше диэлектрик, тем выше доля переходных слоев в его объеме, и тем сильнее свойства его и массивного окисла различаются. Контакты кристаллической подложки с окислом и SiО2 с поликремнием или иным материалом затвора формируются в неодинаковых технологических процессах и поэтому имеют разную кристаллическую структуру. Следовательно, нужно ожидать и разных, несимметричных по форме координатных зависимостей профиля изолирующего потенциала на этих ГР. Последнее обстоятельство согласуется с результатами экспериментов [9, 10].

Алгоритм построения из экспериментальных туннельных вольт-амперных характеристик (ВАХ) сверхтонких слоев SiO2 зависимостей эффективного изолирующего потенциала от координаты и величины массы туннелирующего электрона был построен в [11] и далее развит в [12]. Решение задачи обращения экспериментальных данных основано на вычислении из полевых зависимостей туннельного тока IV на ветвях ВАХ обеднения и обогащения кремния функций

fV=z2VH3/2z1VH3/2.

Здесь V=Vi, Vi — падение внешнего напряжения на окисле, z1V и z2V — координаты ближней и дальней точек поворота, H — толщина слоя SiO2. В работе [11] было показано, что

fV=4V¯1/2π0xmaxΦV+x2dx, (1)

где V¯=9232mH2q — константа с размерностью напряжения, — постоянная Планка, q — элементарный заряд, xmax=VmaxV1/2 — максимальное значение переменной интегрирования, Vmax — падение напряжения на слое окисла, отвечающее снятию изолирующего барьера,

ΦV=ddVlnIVI<0,

I — нормировочное значение туннельного тока. В реальной экспериментальной ситуации подаваемые напряжения ограничены из-за опасности пробоя образца V<VII (VII — максимальное напряжение, при котором фиксируется туннельный ток). Для окисла кремния характерно VII<Vmax, поэтому в [11, 12] функцию fV разделяли на две части:

fV=f¯V+f^V,

f¯V=4V¯1/2π0xΙΙΦV+x2dx,

xII=VIIV1/2, а добавок f^V вычисляли для модельного вида потенциала U(z) с параметрами, максимально сближающими экспериментальную и модельную ВАХ. Такой подход оправдан, если в достаточно широком диапазоне напряжений удовлетворяется соотношение f¯Vf^V (именно для проверки выполнения этого неравенства в [11, 12] и рассчитывались функции f^V), иначе при дальнейшем рассмотрении будет получаться не реальная картина, а смоделированная).

Если область напряжений, где проводились измерения ВАХ, слишком узка, VIIVmax, то реализуется случай f¯Vf^V. В этих условиях недостаточно данных опыта для построения реальной зависимости U(z), и приходится ограничиваться только модельными представлениями о потенциальном рельефе.

Цель данной работы — рассмотреть методы построения моделей профиля изолирующего потенциала и проанализировать получающиеся результаты именно для таких экспериментальных случаев.

2. Экспериментальные данные и построениe модели профиля потенциала из полевых зависимостей туннельного тока через сверхтонкий изолирующий слой

В качестве исходных экспериментальных данных были приняты результаты опытов, приведенные в работе [10]. Образцы представляли собой структуры на кремниевой подложке с полевым электродом Al–n+–Si: P (концентрация доноров в поликремнии Nd+1020ñì3, площадь полевого электрода S=1.6103ñì2), изолированным от (100) n–Si слоем полученного при высокотемпературном окислении SiО2 с оптической толщиной h4.2 нм. Измерения [10] ВАХ и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) образцов проводились в специальном нестационарном режиме, когда значения высокочастотных емкостей и тока отвечают одному и тому же состоянию образца. Данные высокочастотных ВФХ МОП-структур позволяют определить зависимости от полевого напряжения изгиба зон в полупроводнике и падения внешнего напряжения на изолирующем слое Vi. Подробности, касающиеся как свойств исследованных структур, так и методов измерений и обработки их результатов, приведены в [10]. На рис. 1 показаны экспериментальные зависимости тока через окисел от модуля падения напряжения на изолирующем слое при положительной (инжекция электронов из полупроводника, ветвь обогащения кремния свободными электронами) и отрицательной (инжекция электронов из полевого электрода, ветвь обеднения кремния свободными электронами) полярностях Vmaxζγ

 

Рис. 1. Экспериментальные зависимости логарифма туннельного тока МОП-структур от напряжения: 1 — ветвь ВАХ, отвечающая обеднению полупроводника, 2 — ветвь ВАХ, отвечающая обогащению полупроводника.

 

Графики ветвей тока построены в логарифмическом масштабе:

ΦобогV=lnIV/I для Vg>0,

ΦобеднV=lnIV/I для Vg<0,

где Vg — полевое напряжение, V=Vi, нормировочное значение тока I*=1012A Максимальные напряжения, при которых фиксировался ток, составили для ветвей обеднения и обогащения кремния соответственно VII = 4.5 и 3.5 В. Фактически функции ΦV рассматриваются как аналог показателя экспоненты в квантово-механической вероятности туннелирования сквозь барьер, поэтому возникает знак минус перед логарифмом. Как следует из выражения (1), информация о рельефе потенциала в изолирующем слое содержится в производных от функций ΦV. Поэтому, а не только из необходимости избавиться от привязки к нормировочному значению тока I, требуется вычислить зависимости ΦобеднV и ΦобогV. Поскольку (см. рис. 1) экспериментальные данные зашумлены, для взятия производных нужно использовать метод регуляризации Тихонова [13]. В соответствии с [14] для сглаживания по Гауссу имеем

arH(a1/H)1(ar/H) (2)

где параметр ε имеет смысл разрешения по переменной V. С ростом ε систематическая ошибка счета увеличивается, а связанная с шумом — падает. Путем перебора значений ε было установлено, что в середине интервала измеренных напряжений минимальная сумма систематической и шумовой погрешностей достигается при ε = 0.3 В. Результаты дифференцирования показаны на рис. 2.

Из-за нелокальности функционала (2) и в связи с отсутствием данных за границами измеренного диапазона напряжений в окрестности минимального и максимального V возникает “краевой эффект” — систематическая ошибка счета резко нарастает. Поэтому вблизи VII кривые построены линейной интерполяцией результатов из близлежащих “надежных” интервалов, а в области малых напряжений резко нарастающие “хвосты” заменены константами (см. пунктир на рис. 2).

 

Рис. 2. Производные от экспериментальных зависимостей логарифма туннельного тока от напряжения: 1 — ветвь ВАХ, отвечающая обеднению полупроводника, 2 — ветвь ВАХ, отвечающая обогащению полупроводника; пунктиром отмечены области вблизи минимального и максимального напряжений, построенные интерполяцией результатов из близлежащих “надежных” интервалов.

 

Для формирования модели профиля изолирующего потенциала будем использовать трапецеидальную форму зависимости от координат:

Uмодz==U0, 0<z<albl,zalbl+1, albl<z<al,1, al<z<Har,zHarbr+1, Har<z<Harbr,0, Harbr<z<H. (3)

Параметры этого потенциала — высота барьера U и безразмерные характеристики угловых точек al/H, bl/H, ar/H, br/H — должны подчиняться неравенствам blH<alH<1arH, arH>brH.

Выбор такой формы рельефа удобен тем, что боковые склоны трапеции имитируют переходные слои, а постоянная величина малого основания — объем однородного окисла кремния. Построение профиля потенциала в виде (3) уже применялось ранее [12] для расчета начального шага процедуры последовательных приближений. Однако использовать данные [12] для нашего образца опасно: как уже указывалось в разд. 1, эффективные потенциальный рельеф U(z) и масса m зависят от индивидуальных особенностей объекта исследований — толщины пленки изолятора и технологии приготовления образца. Ниже будут проанализированы и общие, и зависимые от толщины окисла черты реального изолирующего профиля для различных сверхтонких SiO2. Конкретные значения параметров потенциала и эффективной массы туннелирующего электрона определяли из условия максимального сближения модельной ΦмодV и экспериментальной ΦV характеристик. С этой целью путем перебора значений параметров функции (3) подбирали их комбинацию, минимизирующую функционал

Ω=0VII обеднΦ обеднVΦмод обедн V2dVVII обедн++0VII обогΦобогVΦмод обогV2dVVII обог. (4)

Зависимость ΦмодV вычисляли как

ΦмодV=ddV8m21/2zмод1zмод2UмодzqVHz1/2dz

(координаты точек поворота рассчитывали исходя из выражения (3)) и учитывали, что уровни туннелирования на ветвях ВАХ, отвечающих обеднению и обогащению кремния, различаются на энергию Ферми электронов в полупроводнике:

EF=TlnNcNd,

где T — температура в энергетических единицах, Nc — эффективная плотность состояний в зоне проводимости кремния, Nd — концентрация легирования полупроводника. Возможность пренебрежения шириной зоны уровней туннелирования по энергии для нашей задачи обоснована в [11]. Отметим, что разделение потенциала в изоляторе на две составляющие — собственное поле с профилем U(z) и внешнее поле qVz/H — требует установления начала отсчета напряжения V. Удобно считать, что в равновесии V = 0. Тогда потенциал U(z) должен содержать вклады и от зарядов, фиксированных в изолирующем промежутке, и от контактной разности потенциалов полевой электрод–полупроводник.

 

Таблица 1. Связь констант, входящих в выражения для Φмод, с параметрами модельного потенциала для разных ветвей ВАХ МОП-структуры

Ветви ВАХ

Vmaxζηχγ

Обеднение

U*Hqa1a1Ha1b1a1br(a1/H)1(ar/H)

Обогащение

(U*-EF)qarHarHarU*br(U*-EF)arU*b1(U*-EF)(ar/H)1(a1/H)

 

Рис. 3. Зависимость функционала Ω от номера пятерки N5 параметров модельного трапецеидального потенциала для для m0/m =1.8

 

Для производных от модельных зависимостей при V<γVmax получаем

Φмод=ζ3/2ηVmax2V¯1/2VmaxV1/2V24ηVmaxV+2ηVmax2ηVmaxV2V2++ζγ3/2χVmax2V¯1/2γVmaxV1/2V2+χ+4γVmaxV+2γχVmax2χVmax+V2V2,

а при γVmax<V<Vmax

Φмод=ζ3/2ηVmax2V¯1/2VmaxV1/2V24ηVmaxV+2ηVmax2ηVmaxV2V2,

где Vmax — напряжение снятия барьера. Выражения для констант, входящих в формулы для Φмод, приведены в табл. 1.

Минимизацию функционала (4) проводили отдельно по каждому значению эффективной массы m из набора m/m0=0.2, 0.4, ..., 1.8, 2.0 (m0 — масса свободного электрона) путем перебора чисел Ω, отвечающих разным комбинациям значений параметров функции Uмодz. Всего для каждой было рассмотрено более 27500 комбинаций и использована схема последовательных переходов ко все более сужающимся интервалам между соседними величинами исходных параметров зависимости (3). При всех значениях масс график зависимости Ω от номера комбинации параметров Ns функции Uмодz носит осциллирующий характер (рис. 3).

 

Рис. 4. Модельный профиль изолирующего потенциала в МОП-структуре со сверхтонким окислом.

 

Локальным минимумам на этой зависимости соответствует форма трапеции (3) со сдвигом в сторону полевого электрода. На фоне числа

Ξ=0VII обеднΦобеднV2dVVII обедн++0VII обогΦ обогV2dVVII   обог= 74.486 Â2

минимальное и по массам, и по параметрам трапеции значение Ωmin = 0.7232194 В–2 выглядит привлекательно, и оно соответствует m/m0=1.8 и комбинации U* = 24.5 эВ, al/H=0.133, ar/H=0.6, bl/H=0.014, br/H=0.333. Причем при смене значения эффективной массы изменение у Ωmin происходит только в третьем знаке после запятой. Вид модельного изолирующего рельефа для найденных параметров потенциала (3) представлен на рис. 4.

3. Обсуждение результатов

Найденное значение высоты изолирующего барьера U* = 24.5 эВ приводит к напряжениям его снятия Vmax184 Â на ветви ВАХ обеднения кремния и Vmax40.5 Â на ветви обогащения. Поэтому, с одной стороны, для данных экспериментов реализуется случай VIIVmax, и поэтому более строгие построения реального потенциального профиля, чем применение модельных форм типа (3), проводить нельзя. С другой стороны, полученное в результате максимального сближения экспериментальных и модельных характеристик значение высоты изолирующего барьера U* = 24.5 эВ выглядит завышенным. Оно существенно превосходит найденную ранее для более тонкого окисла (3.7 нм) величину U* = 3.52 эВ [12]. По-видимому, сказываются недостатки, присущие модельному подходу построения профиля изолирующего потенциала. На смещение трапеции (3) в сторону кремния реакция функционала (4) резкая — величина Ωmin повышается в десятки раз, а на увеличение величины эффективной массы туннелирующего электрона реакция слабая Ωmin–изменяется с ростом m лишь только в третьем знаке после запятой. Поскольку Φмодm/U1/2, неточности в определении m приводят к таким же относительным ошибкам в значении U*. Иная картина восстановления реального изолирующего рельефа возникает при процедуре последовательных приближений данных, относящихся к разным ветвям ВАХ [11, 12]. Способ определения значения эффективной массы туннелирующего электрона по наилучшему переходу с ростом номера приближения n ветвей Uобогnz и Uобеднnz в единую кривую потенциального рельефа оказывается в общем комплексе построения U(z) и поэтому более надежен.

Несмотря на перечисленные критические моменты модельного метода построения изолирующего профиля в сверхтонком слое окисла кремния, такой подход позволяет определить ряд общих черт для подзатворных пленок SiО2 разной толщины. В первую очередь это касается пространственной области сосредоточения потенциала — высокий барьер занимает отнюдь не весь номинальный объем изолятора. Для образца, исследованного в данной работе, изолирующий потенциал сосредоточен в 0.4 объема SiО2. Близкий результат получали и в случае окисла кремния толщиной 3.7 нм [12]. Еще одна важная общая деталь потенциального профиля подзатворных пленок SiО2 разной толщины — их форма несимметрична по отношению к подложке и полевому электроду (см. рис. 4). Барьер “придвинут” к ГР с поликремнием, его склон со стороны затвора гораздо круче, чем со стороны подложки. В результате ВАХ подобных объектов имеют резко асимметричный вид — нарастание тока с напряжением на ветви ВАХ обогащения кремния гораздо сильнее, чем на ветви обеднения [9, 10].

Заключение

Обнаруженные ранее [12] и подтвержденные в данной работе общие черты потенциального профиля подзатворных сверхтонких пленок SiО2 разной толщины — высокий барьер сосредоточен в менее половины их номинального объема и сдвинут к ГР с поликремнием — это важный результат исследований нанометровых кремниевых структур. Объяснение этого явления требует специальных исследований, в рамках данной статьи этот факт можно только констатировать.

В научном мире все более возрастает интерес к изолирующим слоям из диэлектриков с диэлектрической проницаемостью, большей, чем у диоксида кремния или сегнетоэлектриков. Имеет место постепенное уменьшение толщин этих материалов в работающих структурах с целью приближения к десяткам ангстрем. Поэтому развитие исследований потенциального профиля тонких изолирующих слоев следует ожидать на структурах с изолирующими материалами, заменяющими окисел кремния.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование работы

Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН (тема № 075-01110-23-01).

×

Об авторах

Е. И. Гольдман

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Email: gvc@ms.ire.rssi.ru
Россия, пл. Введенского, 1, Фрязино, Московской обл., 141190

Г. В. Чучева

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gvc@ms.ire.rssi.ru
Россия, пл. Введенского, 1, Фрязино, Московской обл., 141190

И. А. Шушарин

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Email: gvc@ms.ire.rssi.ru
Россия, пл. Введенского, 1, Фрязино, Московской обл., 141190

Список литературы

  1. Zwanenburg F.A., Dzurak A.S., Morello A. et al. // Rev. Mod. Phys. 2013. V. 85. № 3. P. 961.https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.961.
  2. Красников Г.Я., Горнев Е.С., Матюшкин И.В. // Электрон. техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2018. С. 63.
  3. Черняев М.В., Горохов С.А., Патюков С.И., Резванов А.А. // Электрон. техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2022. С. 31.
  4. Muller D.A., Sorsch T., Moccio S. et al. // Nature. 1999. V. 399. № 6738. P. 758.https://doi.org/10.1038/21602.
  5. Vasudevan R., Pilania G., Balachandran P.V. // J. Appl. Phys. 2021. V. 129. P. 070401.https://doi.org/10.1063/5.0043300.
  6. Тахтамиров Э.Е., Волков В.А. // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. № 5. С. 1843.
  7. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем. М.: Мир, 1985.
  8. Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника слоев на кремнии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988.
  9. Гольдман Е.И., Левашов С.А., Чучева Г.В. // ФТП. 2019. Т. 53. № 4. С. 481.https://doi.org/10.21883/FTP.2019.04.47444.9011.
  10. Белорусов Д.А., Гольдман Е.И., Нарышкина В.Г., Чучева Г.В. // ФТП. 2021. Т. 55. № 1. С. 24.https://doi.org/10.21883/FTP.2021.01.50379.9511.
  11. Гольдман Е.И., Ждан А.Г., Кухарская Н.Ф., Черняев М.В. // ФТП. 2008. Т. 42. № 1. С. 94.
  12. Гольдман Е.И., Чучева Г.В., Шушарин И.А. // ФТП. 2022. Т. 56. № 3. С. 328.https://doi.org/10.21883/FTP.2022.03.52119.9756.
  13. Тихонов А.Н., Арсенин В.А. Методы решения некорректных задач. М: Наука, 1986.
  14. Гольдман Е.И., Иванов В.А. Адаптивный тихоновский алгоритм построения производных экспериментальных зависимостей. Препринт ИРЭ АН СССР № 22(551). М.: ИРЭ АН СССР, 1990. 24с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Экспериментальные зависимости логарифма туннельного тока МОП-структур от напряжения: 1 — ветвь ВАХ, отвечающая обеднению полупроводника, 2 — ветвь ВАХ, отвечающая обогащению полупроводника.

Скачать (61KB)
3. Рис. 2. Производные от экспериментальных зависимостей логарифма туннельного тока от напряжения: 1 — ветвь ВАХ, отвечающая обеднению полупроводника, 2 — ветвь ВАХ, отвечающая обогащению полупроводника; пунктиром отмечены области вблизи минимального и максимального напряжений, построенные интерполяцией результатов из близлежащих “надежных” интервалов.

Скачать (70KB)
4. Рис. 3. Зависимость функционала Ω от номера пятерки N5 параметров модельного трапецеидального потенциала для для m0/m =1.8

Скачать (134KB)
5. Рис. 4. Модельный профиль изолирующего потенциала в МОП-структуре со сверхтонким окислом.

Скачать (72KB)

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).