Физика поверхности и микроэлектроника

34

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико - математический факультет

Кафедра общей и эксперементальной физики

ФИЗИКА ПОВЕРХНОСТИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Курсовая работа

Выполнил студент 3 курса ФМФ отделение

«физика-информатика» группы «Д»

Бурлуцкий Д.В.______________________ (подпись)

Научный руководитель: доктор

физико-математических наук,

профессор

Ланкин С.В__________________________ (подпись)

Работа защищена «__» ______________2008

Оценка________________________________ (подпись)

Благовещенск 2008

Содержание

• Введение
• 1 Физика поверхности
• 1.1 Этапы развития физики поверхности
• 1.2 Методы исследования поверхности
• 1.3 Геттерирование в микроэлектронике
• 2 Микроэлектроника
• 2.1 Трехслойная система -- базовая структура микроэлектроники
• 2.2 Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов
• 2.3 Элементы фото и электрической памяти. Оптоэлектронные приборы
• 2.4 Сверхпроводящие пленки. Высокотемпературная сверхпроводимость
• Заключение
• Список литературы

Введение

Микроэлектроника в своем сравнительно недолгом развитии прошла путь от создания приборов, представляющих собой несколько полупроводниковых структур в общем корпусе, до сверхбольших интегральных схем, объединяющих десятки тысяч активных элементов на одном полупроводниковом кристалле площадью менее квадратного сантиметра. Основополагающей в развитии микроэлектроники явилась идея интеграции - одновременного изготовления на единой подложке большого числа полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и др.), образующих интегральную схему, все элементы которой расположены в тонкой (толщиной менее десятой доли миллиметра) приповерхностной области полупроводниковой пластины, а также в пленках диэлектриков и металлов, наносимых на ее поверхность по необходимому рисунку. Такая технология получила название планарной (от латинского корня, обозначающего плоскость) и, как видно из сказанного, неразрывно связана с поверхностью и границами раздела твердых тел.

Микроэлектроника в настоящее время является в основном интегральной, поскольку создание большинства современных полупроводниковых приборов немыслимо без использования принципа интеграции. Одним из важнейших факторов, стимулирующих развитие интегральной электроники, является низкая стоимость ее элементов. Только современные интегральные схемы позволяют создавать ЭВМ, доступные рядовому потребителю. То же можно сказать о технике связи, бытовой радио и телеаппаратуре и т. п. Вторым фактором, способствовавшим прогрессу интегральной электроники, являются чрезвычайно малые габариты интегральных схем при сохранении сложности и многообразия, выполняемых ими функций и весьма низком энергопотреблении.

В настоящее время типичные размеры элементов интегральных схем составляют единицы микрометра, а толщины диэлектрических пленок - десятки и сотни нанометров. Такие схемы требуют обычно питающих напряжений, измеряемых единицами вольт, а мощность, потребляемая схемой средней степени интеграции, часто не превышает 10^-6 Вт.

Достижения современной планарной технологии позволяют уменьшить размеры активных областей отдельных полупроводниковых приборов, составляющих микросхему, до долей микрометра, а толщины диэлектрических пленок (при сохранении их высокого качества) -- до 10-20 нм и менее. Это открывает путь к дальнейшему повышению степени интеграции элементов, снижению рабочих напряжений и энергопотребления.

Не следует, однако, думать, что такой переход дается легко. Существует большое количество как чисто технологических, так и физических, материаловедческих и других проблем. Например, чем меньше толщина диэлектрических пленок, тем выше требования к их однородности по толщине и сильнее влияние переходных слоев, всегда существующих на границах их раздела. Разработка технологий создания таких диэлектриков требует прецизионных методов контроля параметров, применения сверхчистых исходных реагентов и более совершенного (и более дорогостоящего) оборудования, которое, как правило, управляется мини-ЭВМ или встроенными микропроцессорами.

1 Физика поверхности

В развитии физики поверхности можно выделить три этапа.

На ранней стадии изучалась поверхность твердого тела, покрытая различными адсорбированными фазами, осаждавшимися из окружающей газовой атмосферы, в результате химического травления или взаимодействия с другими фазами, в том числе в ходе хранения образца. Обычно такая поверхность, называемая реальной, содержит не только адсорбированные компоненты. Но также покрыта «одеждой» из сверхтонкой пленки гидроксилов, сложных окислов, а иногда специальными слоями химически стойких соединений типа фтористых соединений, оксинитридов, боридов и др. Как правило, такие поверхности включают довольно большое количество примесей инородных элементов, таких, как щелочно-галлоидные комплексы, содержащие Na, К, атомы переходных элементов, Fe, Cu, Au и др. Первые систематические исследования реальных поверхностей были проведены на металлах еще в начале века в связи с нуждами эмиссионной электроники. Это, прежде всего классические работы Ленгмюра на вольфраме и молибдене, на цезиевых, оксид-цезиевых и других горячих катодах. Затем были начаты исследования диэлектриков и полупроводников -- окислов металлов (CuO, Cu₂O, ZnO), легко выращиваемых полупроводников группы II--VI, далее (начиная с 40-х годов) -- германия, кремния, веществ А₃Б₅ (InSb, GaAs и др.).

Дальнейшие экспериментальные исследования основывались уже на моделях, в которых центральную роль играли поверхностные уровни.

Главным итогом этой стадии исследования поверхности было надежное доказательство существования особых (по сравнению с объемом) поверхностных электронных состояний (поверхностных уровней) для всех полупроводников, для которых удалось провести эксперимент. На основании концепции поверхностных уровней (и влиянии заряда, накапливаемого на них) были, по крайней мере, качественно, объяснены все ранее загадочные поверхностные эффекты для реальной поверхности: сильная экранировка поля, приложенного к контакту (с прижимным электродом), и ее релаксация, различные медленно релаксирующие эффекты, непрерывный спектр шумов, дополнительная длинноволновая эмиссия и появление фотоэдс и др. В дополнение к этому именно в ходе исследования реальной поверхности (контактных явлений) в системе с несколькими точечными контактами был открыт транзисторный эффект и впервые построен полупроводниковый триод -- точечный транзистор. Как известно, транзисторная логика до сих пор является определяющей в интегральной микроэлектронике.

Второй этап в развитии физики поверхности связан с исследованием атомарно-чистой поверхности. Эта стадия началась вслед за получением достаточно высокого вакуума в эмиссионной электронике, созданием таких мощных методов исследования поверхности, как дифракция пучков монохроматических очень медленных (до нескольких десятков электрон-вольт) электронов (Лашкарев, Калашников, 1938 г.), появлением вакуумной эмиссионной спектроскопии (Спайсер, 40-е годы), а также развитием методов очистки поверхности, прежде всего путем ионной бомбардировки (Аг+, Фарнсворс и Макрэй, 1950--1960 гг.).

Среди наиболее важных результатов этого этапа отметим следующие:

1. Доказательство того, что атомарно-чистая поверхность действительно представляет собой особую структурную среду, т. е. характеризуется своей решеточной структурой. Для поверхностного монослоя были найдены сверхрешетки различного типа, одни сверхрешетки (как правило, незначительно отличающиеся от основной решетки вещества) оказались более устойчивыми, другие перестраиваются уже при комнатной температуре.

Прецизионные поверхностные методы дали возможность определить фундаментальные характеристики поверхности кристаллической решетки, такие, как эффективные массы электронов m_s; деформационный потенциал О, энергия фононов поверхности е_ф и амплитуда колебаний ?x_s атомов поверхностного слоя, дебаевская температура для поверхностной сверхрешетки и др. Наличие характерных полярных компонент химической связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхностных поляризованных мод, таких, как, например, поверхностные поляритоны в Ge, Si и др., экситонного, плазмонного, фононного и других типов.

Наличие двумерных квантовых эффектов в области поверхностного заряда, роль поверхностей резко возрастает. Такие экситоны впервые наблюдались на сколотых поверхностях, где существуют сильные заряды на метастабильных поверхностных состояниях. Впервые эффекты двумерного квантования на сколотых поверхностях были описаны Коваджи (1964), Добровольским (1970), Корбутяком и Литовченко (1973).

Наличие характерных полярных компонент химической связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхностных поляризованных мод, таких, как, например, поверхностные поляритоны в Ge, Si и др., экситонного, плазмонного, фононного и других типов.

Третья стадия развития физики поверхности связана с исследованием границ раздела хорошо детерминированных фаз, как, например, «диэлектрик--полупроводник», «металл--полупроводник», «диэлектрик--металл». Это так называемые слоистые структуры, среди которых первая образует технологическую базу большинства типов интегральных схем.

1.2 Методы исследования поверхности

Методы исследования поверхности весьма разнообразны. Общей их чертой является необходимость измерения параметров в очень тонком поверхностном слое, т. е. обеспечение возможности измерения в очень малом количестве вещества. Это предопределяет высокую, в отдельных случаях предельную чувствительность используемых измерительных систем.

Наиболее распространены три типа методов исследования электрических характеристик поверхности:

1. Изменение проводимости слоя поверхностной области пространственного заряда под воздействием внешнего поля (эффект поля);

2. Метод вольтфарадных характеристик, в котором вместо активной характеристики (продольной проводимости) измеряется реактивная величина - поперечная емкость, откуда рассчитываются параметры емкости области пространственного заряда и соответственно те же характеристики поверхности, что и в методе эффекта поля (изгиб зон у_s, начальный заряд поверхности Q_so и др.), но на более простых структурах и более экспрессным способом;

3. Методы измерения поверхностной рекомбинации, основанные на измерении фотопроводимости, неравновесной проводимости неосновных носителей, генерированных электрическим нолем, а также, но характеристикам так называемого тока насыщения р-n перехода, локализованного вблизи поверхности. Поверхностная рекомбинация определяет ряд параметров р-n переходов (генерационный ток в тонких образцах и др.), а также кинетические параметры биполярных планарных транзисторов в режиме слабых токов.

Эффект поля есть изменение приповерхностной проводимости под воздействием электрического поля, приложенного нормально к поверхности твердого тела. Обычно это явление реализуется для полупроводников, хотя возможно его проявление и для металлов и диэлектриков (особенно для их тонких пленок). Наведенный электрический заряд распределяется между областью пространственного заряда и локализованными поверх постными состояниями. Концентрации свободных электронов (или дырок) в этой области определяются поверхностным потенциалом ц_s (изгибом зон у_s) и положением уровня Ферми в объеме полупроводника Eц.

Внешнее поле задает три состояния области пространственного заряда: обогащение основными носителями (по отношению к объему; для полупроводника n-типа это соответствует образованию сильного изгиба зон вниз, т. е. y_s<0); формирование вблизи поверхности слоя истощения, при этом зоны искривляются вверх (y_s > 0). В этом случае проводимость уменьшается. При последующем искривлении зон вверх, по мере увеличения вблизи поверхности концентрации неосновных (по отношению к объему) носителей (например, дырок) наступает момент, когда число последних у поверхности превышает концентрацию электронов в объеме. Создается так называемый инверсионный поверхностный слой. Когда изгиб зон y_s становится столь большим, что валентная зона пересекает уровень Ферми E_F, концентрация носителей в инверсионном слое становится столь большой, что возникает слой вырожденного газа носителей (в определенных случаях с двумерным квантованием зонного спектра свободных носителей). Формирование инверсионного слоя дает возрастание проводимости уже за счет неосновных носителей.

Таким образом, зависимость проводимости от внешнего поля имеет вид кривой с минимумом. Анализ этой кривой позволяет получить данные о состоянии областей пространственного заряда, локализованных на поверхности центров захвата (так называемых поверхностных уровней), и объема полупроводника. Так, минимум проводимости поверхностной области пространственного заряда соответствует потенциалу, задаваемому параметрами объема: Начальный изгиб зон ц_so задает плотность заполненных поверхностных уровней в условиях обычного состояния образца. Измерение релаксации позволяет разделить поверхностные центры на быстрые (со временами релаксации <10^-3 с) и медленные (?10^-1 с). Медленная релаксация имеет неэкспоненциальный характер, что, как правило, обусловлено гетерогенностью поверхности. Она может быть также вызвана ионными процессами (диффузией), адсорбционно-десорбционными процессами, поверхностными химическими реакциями, стимулированным полем. Вольтфарадные (С--V) характеристики. Измеряемой величиной является высокочастотная (f > 1 мГц) или низкочастотная (f < 0,1 Гц) емкость тройной структуры и ее зависимость от приложенного постоянного (или медленно меняющегося) напряжения смещения, прикладываемого между металлическим и полупроводниковым электродами. Исследуются также зависимости емкости структуры от температуры (С--Т-характеристики) и времени (С--t-

характеристики).

Рис. 1. Типичные C--V зависимости при измерениях на высоких (сплошная кривая) и низких (штриховая кривая) частотах

Изменение емкости тройной структуры при варьировании напряжения связано с изменением емкости области пространственного заряда и обусловлено изменением в ней концентрации подвижных носителей. Поскольку основные и неосновные носители заряда обладают существенно различными временами генерации, то их вклад в емкость соизмерим только в низкочастотном (так называемом квазистатическом) режиме измерений.
В высокочастотном режиме неосновные носители почти не проявляются. Типичные С--V-зависимости изображены на рисунке 1. Видно, что при изменении приложенного напряжения высокочастотная емкость уменьшается от емкости, определяемой толщиной слоя диэлектрика, до некоторой величины, которая зависит от уровня легирования материала.

Сопоставляя полученные экспериментально С - V зависимости с теоретическими, рассчитанными в рамках адекватных физических моделей, удается получить большое количество параметров тройной структуры -- толщину диэлектрика, заряд, встроенный в диэлектрик, уровень легирования объема полупроводника и его изменение в приповерхностной области по координате, перпендикулярной поверхности, величину поверхностного изгиба зон и ее зависимость от приложенного смещения, плотность электронных состояний на границе раздела диэлектрик -- полупроводник и их распределение по запрещенной зоне, фактор, характеризующий статистическую планарную микронеоднородность величины поверхностного заряда по отношению к его среднему значению, и некоторые другие характеристики.

Если под действием электрического поля происходит изменение заряда в диэлектрике (этот процесс специально используется в элементах памяти, применяемых в ЭВМ, но в других случаях может быть и нежелательным), то С - V характеристика смещается по оси напряжений. Это позволяет легко фиксировать данный процесс и определять знак и величину изменения заряда в диэлектрике.

Метод электроотражения. Явление электроотражения заключается в изменении коэффициента отражения света от поверхности твердого тела (полупроводника, металла) под действием внешнего электрического поля и связано с эффектом фототуннелирования (эффект Франца--Келдыша) -- туннельного перехода носителей между энергетическими зонами (что становится возможным благодаря их искривлению в сильном поле) при одновременном изменении энергии носителя вследствие поглощения фотона с данной энергией. Вероятность процесса фототуннелирования сильно зависит от соотношения энергии фотона (которую мы меняем в эксперименте) и энергетического спектра разрешенных зон (формы зоны Бриллюэна) твердого тела. Поэтому при изменении энергии фотонов величина сигнала электроотражения несет информацию о зонных характеристиках исследуемого материала.

Важно подчеркнуть, что поскольку в процессе электроотражения света с энергией квантов hv, превышающей энергию запрещенной зоны E_q, участвует только тонкий поверхностный слой материала (в металлах это доли нанометра, в кремнии -- 15--20 нм), то рассматриваемая методика особенно ценна именно для изучения поверхностных свойств. Она применима как к монокристаллическим, так и к поликристаллическим и аморфным полупроводникам. С ее помощью могут быть получены спектры коэффициентов преломления и поглощения света в веществе, определены характерные энергетические зазоры, степень дефектности поверхностного слоя, наличие и величина полей механических напряжений, тип проводимости поверхностного слоя, параметры разупорядочения кристаллической структуры (изменения длин и углов межатомных связей), размеры зерен в поликристаллических и микрокристаллических материалах.

Метод эллипсометрии. Данный метод (а точнее, целый набор методов, объединенных общим принципом измерений), также основан на измерении отражения света от исследуемой поверхности. В отличие от метода электроотражения, применимого для проводящих материалов, методом эллипсометрии могут изучаться также и диэлектрики, и многослойные тонкопленочные структуры. Измеряются параметры поляризации отраженного света, зависящие как от условий измерения (угол падения света, его исходная поляризация), так и от физических характеристик исследуемой отражающей системы. К последним относятся оптические константы отражающих поверхностей и диэлектрических пленок (в свою очередь, чувствительные к длине волны, на которой производится измерение, в силу их зависимости от параметров зонной структуры материалов), толщины пленочных покрытий и переходных слоев на границах раздела.

Метод эллипсометрии отличается очень высокой чувствительностью. Он позволяет обнаруживать на поверхности даже моноатомиые пленки различных веществ и определять их характеристики. Эта особенность используется в современных технологических установках, предназначенных для нанесения тонких пленок. Эллипсометр, встроенный в такую установку и сопряженный с ЭВМ, позволяет получать характеристики пленки непосредственно в процессе ее синтеза.

Еще одна возможность метода -- определение параметров многослойных систем (например, структура диэлектрик -- полупроводник с двумя и более диэлектриками или с диэлектриком, параметры которого изменяются по толщине). Такая задача может быть решена несколькими путями и математически весьма сложна, но другими методами решить ее часто вообще невозможно.

1.3 Геттерирование в микроэлектронике

Геттерирование в твердом теле есть явление извлечения примеси или структурных дефектов из очищаемых (так называемых активных) участков твердого тела в контактирующую инородную фазу (геттер) -- пассивный (стоковый) участок образца или вакуум. Термин «геттерирование» заимствован из известного в вакуумной технологии геттерного процесса -- очистки газовой среды от нежелательных компонент путем адсорбции, абсорбции либо связывающих химических реакций на поверхности или в объеме дисперсных слоев химически активных веществ (Ва, Ti, Та, Zr, Cr, La, Nb и некоторых других).

Механизмы геттерирование в твердом теле и вакууме, как правило, имеют различную природу. Процесс генерирования в твердом теле включает три основных этапа: 1) активацию геттерируемых частиц -- перевод их в состояние, обеспечивающее способность к пространственному перемещению; 2) масс-перенос; 3) реакции взаимодействия с геттером, сопровождающиеся закреплением или выносом частиц за пределы образца.

По типам активации геттерирование в твердом теле разделяется на термическое, химическое и радиационное.

Первый процесс требует наиболее высоких температур, третий возможен даже при криогенных температурах. Таким образом, радиационное геттерирование перспективно для низкотемпературных технологий в микроэлектронике.

Перенос масс при генерировании может происходить за счет диффузии (в том числе радиационно-стимулированной), дрейфа (в поле электрических или механических напряжений) и динамических процессов (рис. 2).

Геттер Полупроводник

объемное поверхностное планарное

Рис. 2. Механизмы генерирования в полупроводниках

По типу расположения геттерных областей поглощение примесей может быть объемным или собственным (поглощают встроенные в объем твердого тела, термически активированные преципитаты генерирующих фаз типа Si0₂, SiC, Si₃N4, Gd, редкоземельных элементов, металлов и др.); поверхностным (внешним), когда слои геттера (Si₃N₄, Si0₂, SiO_xPi-x, Pb и др.) осаждаются на поверхность, а перенос масс протекает через объем твердого тела; планарным (масс-перенос происходит по поверхности твердого тела или вдоль границы раздела контактирующей фазы). Поскольку поверхностная миграция происходит значительно легче объемной, планарный процесс генерирования на несколько порядков величины быстрее прочих, поэтому он приемлем в условиях низкотемпературных технологий.

Поглощение примесей может быть обусловлено повышенным коэффициентом растворимости их в геттере по сравнению с очищаемым твердым телом (фазовое геттерирование) или наличием участков твердого тела, имеющих дефектную структуру и способных, поэтому, активно поглощать более простые дефекты и связывать примесь (структурное геттерирование). Применение геттерирования в микроэлектронике позволяет изготавливать интегральные схемы высокого качества со значительной степенью интеграции (10⁶--10⁸).

Узловым моментом в геттерирование является введение быстро диффундирующих точечных дефектов междоузельного типа, обычно атомов матрицы. Встречая на своем пути примесь, эти атомы вытесняют ее с «насиженных» мест, переводя в метастабильное состояние. Для этого состояния характерна довольно высокая подвижность атомов. Увлекаемые механическим полем, атомы примеси двигаются к геттеру, где затем и закрепляются (растворяются и т. п.). На поверхности и границах раздела фаз эти процессы протекают гораздо легче, чем в объеме. Именно там легче эмитировать большое количество междоузельных атомов; масс-перенос идет по механизму миграции, а для стоков имеются такие недоступные в объеме пути, как уход в газовую фазу, испарение и т. п. Таким образом, активное использование поверхности и границы раздела становятся основой новой перспективной технологии - стимулированного низкотемпературного генерирования.

2 Микроэлектроника

2.1 Трехслойная система -- базовая структура микроэлектроники

Структуры «металл--диэлектрик--полупроводник» упоминаются нами настолько часто, что читатель уже понял: эта структура, и современная интегральная электроника неразрывно связаны. Без этих систем невозможно изготовить не только интегральную схему, но и очень многие современные дискретные полупроводниковые приборы.

В частности, слой диэлектрика нужен и для предотвращения попадания в полупроводник нежелательных веществ при изготовлении прибора и в процессе его эксплуатации, и в качестве изолятора при приложении электрического поля к полупроводнику, и как запоминающая среда, и как среда с очень точно регулируемой способностью пропускать носители заряда при определенных условиях.

Очень перспективным направлением развития технологии интегральной электроники является создание приборных структур со встроенными геттерными областями различных типов. Такие области при их правильном изготовлении будут поглощать, и связывать нежелательные дефекты и примеси не только в процессе изготовления микросхем, но и в процессе их эксплуатации в экстремальных условиях (например, при перегрузке, появлении ионизирующих излучений), «залечат» образовавшиеся дефекты и предотвратят выход прибора из строя. К созданию такой «иммунной системы» интегральных схем ученые уже приступили, однако ее реализация (в особенности для пекремниевых технологий) -- дело будущего, а пока можно лишь с уверенностью утверждать, что большинство из создаваемых геттерных областей должно располагаться в приповерхностной области полупроводника, т. е. именно там, где создаются полупроводниковые приборы, где вероятность возникновения дефектов и появления загрязнений максимальна,

Каковы же пределы микроминиатюризации в интегральной электронике? Ведь усовершенствование технологий, разработка новых физических принципов работы приборов, как и всякая отрасль знания, не имеют предела своего развития. Значит ли это, что можно до бесконечности увеличивать степень интеграции микросхем, уменьшая размеры их элементов? Нет, ибо вступают в действие законы, ограничивающие этот рост.

Любое кристаллическое твердое тело образовано атомами, располагающимися в узлах кристаллической решетки. Очевидно, что создавать в кристалле элемент с размерами, меньшими расстояния между атомами решетки, в принципе невозможно. Это расстояние, равное для кремния 5,4.3-10^-4 мкм, и определяет абсолютный предел миниатюризации элементов интегральных схем.

2.2 Влияние поверхности на работу полупроводниковых

приборов

Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как для самого процесса изготовления полупроводниковых приборов, так и для его последующей работы с необходимыми характеристиками.

Отрицательное влияние поверхностных явлений на работу диодов, транзисторов и фотоэлектрических приборов связано с существованием поверхностной рекомбинации. Она вызывает снижение коэффициента полезного действия солнечных фотоэлементов и других фотопреобразователей, уменьшение коэффициента усиления транзисторов, увеличение обратных токов р-п переходов. Наличие поверхностной рекомбинации приводит также к снижению чувствительности полупроводниковых фотопреобразователей в коротковолновой области спектра, когда свет поглощается в очень тонком приповерхностном слое полупроводника. Выше уже говорилось о возможности управления скоростью поверхностной рекомбинации, Использование этой возможности часто позволяет устранить (полностью или частично) перечисленные отрицательные факторы.

Надежность работы полупроводниковых приборов зависит и от величины и стабильности поверхностного потенциала полупроводника, поскольку он определяет концентрацию носителей заряда в приповерхностной области. В свою очередь, поверхностный потенциал определяется (при отсутствии внешнего электрического смещения) зарядом на поверхностных электронных состояниях (состояниях границы раздела) и зарядом, встроенным или инжектированным в диэлектрик системы «диэлектрик--полупроводник». Таким образом, необходимо как знать параметры этих электронных состояний и заряды в диэлектриках, так и уметь управлять ими и стабилизировать их свойства в случае воздействий температур, полей и излучений. Это очень сложная задача, еще до конца не решенная даже для «классической» системы Si - Si0₂.

Если поверхность полупроводникового прибора не защитить от посторонних примесей, всегда имеющихся в атмосфере или в материале корпуса, то атомы таких примесей будут захватываться на уровни поверхностных состояний, изменяя их заряд и другие характеристики. Это приведет к дрейфу поверхностного потенциала, появлению его пленарной неоднородности и в конечном итоге к дрейфу параметров прибора и его возможному выходу из строя. Поэтому в технологии микроэлектроники всегда применяют защиту (пассивацию) поверхности полупроводниковых приборов и интегральных схем. Наилучшим для этой цели является слой Si0₂, который иногда дополнительно легируют примесями бора, фосфора или свинца.

Однако даже защищенная диэлектрическим слоем поверхность не всегда остается стабильной. Дело в том, что в диэлектрике, особенно в области его границы раздела с полупроводником, могут быть расположены примесные включения и их комплексы с различными структурными дефектами, часто имеющими электрический заряд. Поэтому под действием электрических полей, всегда существующих в работающем приборе, возможно медленное перемещение этих примесей и дефектно-примесных комплексов, как в глубь диэлектрика, так и в область границы раздела с полупроводником. Результат известен: изменение степени и характера заполнения электронных состояний границы раздела и электрических полей в этой области, дрейф поверхностного Потенциала и связанных с ним характеристик, возникновение локальных утечек и пробоя диэлектрика.

Поверхностные состояния влияют также на шумы полупроводниковых приборов, особенно в низкочастотной области. Это и понятно: ведь носители заряда, захватываясь на поверхностные состояния и высвобождаясь с них, всегда будут вызывать некоторые флуктуации токов и зарядов в приборе.

Еще одним интересным аспектом влияния поверхности на работу полупроводниковых приборов является поверхностное прилипание (захват) носителей на поверхностные электронные состояния, обнаруженное в Институте полупроводников АН УССР еще в начале 70-х годов. Прилипание будет происходить, если сечения захвата электрона и дырки существенно отличаются (в противном случае будет наблюдаться поверхностная рекомбинация). Центры прилипания обычно расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи краев его разрешенных энергетических зон и поэтому называются мелкими центрами. Показано, что их природа для кремния тесно связана со структурными дефектами при* поверхностной области полупроводника или границы между диэлектриком и полупроводников. Такие дефекты вводятся при механической обработке (резке, шлифовке и т. п.) кремниевых пластин, а также при окислении и других операциях под воздействием возникающих полей механических напряжений (связанных, например, с различными коэффициентами термического расширения для Si и Si0₂).

Центры прилипания могут существенно изменять многие характеристики приборов: их быстродействие, величину фоточувствительности, термостабильность, коэффициент усиления. Выше уже было рассмотрено их влияние на фотопроводимость при обогащающих при» поверхностных изгибах зон. Здесь эффект прилипания играет положительную роль. Благодаря его влиянию можно также повысить коэффициент передачи фототранзисторов, создать элементы запоминания информации. Однако все это сопровождается падением быстродействия приборов и повышением чувствительности их характеристик к температуре, освещению и другим видам излучений. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выбирать: использовать эффект поверхностного прилипания или постараться от него избавиться.

Даже для моноатомных полупроводников поверхность является удобным «стоком» для примесей и дефектов. Они скапливаются на ней, диффундируя как из полупроводника, так и из слоя диэлектрика. Например, уровень легирования полупроводника на поверхности, как правило, отличается от уровня легирования объема, Современные методы физического анализа позволяют изучать эти процессы и в определенной степени управлять ими.

2.3 Элементы фото и электрической памяти. Оптоэлектронные

приборы

В предыдущих разделах мы в той или иной мере уже затрагивали вопросы о работе некоторых типов элементов памяти, фотоприемников и лазеров. Общим моментом при этом являлось то, что во всех этих приборах активно используются электронные процессы на поверхности, границах раздела, в тонких приповерхностных областях полупроводника и в пленках диэлектриков. Здесь мы кратко рассмотрим некоторые конкретные типы таких приборов и их «поверхностные» особенности.

Элементы памяти на основе структуры «металл-нитрид-окисел-полупроводник». Их принцип действия, методы электрической и оптической записи информации описаны выше. Осталась нерассмотренной одна граница раздела: металл--диэлектрик. Оказывается, что ее влияние также нельзя упускать из виду.

Назначение металлического электрода -- создание на необходимой площади диэлектрической пленки электрического поля при подаче напряжения смещения. Предположим, что мы подали на металлический электрод импульс положительной полярности. При этом из Si в Si0₂ будут инжектироваться электроны и в нитриде кремния запишется отрицательный информационный заряд. Однако в это же время будет происходить эмиссия дырок из металлического электрода (или, что то же, часть электронов уйдет из S13N4 в металл). В результате суммарный информационный заряд в Si₃N₄ уменьшится, что приведет к ухудшению характеристик запоминания.

Для предотвращения такого нежелательного эффекта было предложено несколько путей. Один из них - нанесение на слой нитрида кремния еще одной диэлектрической пленки -- окиси алюминия А1₂0₃. Этот материал, обладающий большей шириной запрещенной зоны (8,7 эВ), чем Si₃N₄ создает дополнительный потенциальный барьер для эмиссии носителей с металлического электрода. Другой путь использование вместо Si₃N₄ диэлектрика с переменной шириной запрещенной зоны (варизонного) -- оксинитрида кремния Si_xN_vO_z. Изменяя в процессе его синтеза значения х, у, z, удается менять состав пленки от Si₃N₄ до Si0₂. Если подобрать характер варизонности таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны увеличивалась по направлению к металлическому электроду, то также удается подавить эмиссию носителей из металла. Последний путь является более перспективным, так как не требует введения в стандартную технологию нового процесса -- нанесения пленки А1₂0₃.

Элементы памяти с «плавающим» затвором. Для создания в диэлектрике центров, способных захватывать заряд, можно использовать так называемый плавающий затвор. Он представляет собой тонкий слой металла или полупроводника, находящийся внутри диэлектрического слоя и, таким образом, изолированный от всех электродов прибора (транзистора) (рис. 9,6). Преимущество таких запоминающих структур -- способность очень долго сохранять записанный заряд. Запись осуществляется с помощью инжекции горячих носителей через часть диэлектрика, отделяющего полупроводник от плавающего затвора; этот механизм уже описан выше. Для стирания применяют ультрафиолетовое облучение. Структуры с плавающим затвором довольно сложны в изготовлении, так как процесс создания плавающего затвора не должен ухудшать параметры подзатворного диэлектрика (не будем забывать, что он достаточно тонок: 30--50 им).

Поверхностные фоторезисторы и фототранзисторья. Фоторезистор -- прибор, использующий явление фотопроводимости, рассмотренное нами выше. Мы отметили главные особенности влияния поверхности на этот эффект. Показано, что правильный выбор величины поверхностного изгиба зон позволяет увеличить фотопроводимость при hv>E_g в несколько десятков раз. Особенно сильно этот положительный эффект проявляется при малых длинах волны света, когда велик коэффициент его поглощения, мала глубина поглощения и, следовательно, очень велика роль поверхностной рекомбинации и прилипания. Для кремния эти длины волн попадают в очень важную спектральную область видимого и ультрафиолетового света. Таким образом, неправильный выбор условий на поверхности сделает фоторезистор «слепым» во всей спектральной области, за исключением узкой полосы с hv> Еg. И наоборот, оптимизация поверхностных характеристик позволяет получить прибор, чувствительный к свету во всей области длин волн от 0,2 мкм до 1,1 мкм (для кремния). Более того, изменяя условия на поверхности, можно регулировать фоточувствительность в этом спектральном диапазоне.

Рисунок 3.

Тонкопленочный фототранзистор: 1 - контактные площадки; 2 - электрод истока; 3 - защитное покрытие; 4 - полупроводник; 5 - электрод затвора; 6 - диэлектрик; 7 - электрод стока

Изменять состояние поверхности (изгиб зон) наиболее удобно в структуре «металл--диэлектрик--полупроводник» (металлическим электродом, проницаемым для света) с приложением внешнего смещения. Подобную структуру имеет и тонкопленочный транзистор (рис. 3). Если требуется зафиксировать одно состояние, то достаточно нанести на поверхность Si диэлектрик (например, Si0₂). При этом должно удовлетворяться несколько условий: процесс нанесения диэлектрика не должен сильно ухудшать объемные характеристики полупроводника; заряд, встроенный в диэлектрик, должен обеспечивать необходимые знак и величину поверхностного изгиба энергетических зон в полупроводнике; граница раздела «диэлектрик--полупроводник» должна быть достаточно совершенной (иметь низкую плотность электронных со* стояний и их необходимое распределение по ширине запрещенной зоны полупроводника). Для приборов на основе Si этот комплекс проблем можно считать решенным, но для других материалов существует еще много проблем.

Поверхностно-барьерные фотодиоды и фотопреобразователи и поверхностно-барьерных фотодиодах (рис. 4), как следует из их названия, используется эффект возникновения поверхностной фотоэдс при разделении неравновесных носителей электрическим полем области приповерхностного пространственного заряда. Общим требованием к приборам такого типа является создание на поверхности условий, оптимальных для генерации фотоносителей и их собирания на контактные области. При соблюдении этих условий удается так же, как и в случае фоторезисторов, повысить чувствительность в коротковолновой области спектра при сохранении высокой однородности фотоответа в разных точках освещаемой поверхности.

Рис. 4. Поверхностно-барьерный фотодиод с индуцированным инверсионным каналом

Очень важной сферой использования поверхностно-барьерных фотопреобразователей являются солнечные фотоэлементы. Солнечный элемент -- это обычный фотодиод, но оптимизированный для работы в соответствующих условиях (уровни освещенности, диапазон энергий квантов света, большая рабочая площадь, максимальный КПД и т. п.). Поверхностно-барьерные солнечные элементы по сравнению с аналогичными приборами на диффузионных p-n переходах обладают всеми преимуществами, характерными для приборов с оптимизированным состоянием поверхности: высокая фоточувствительность в коротковолновой области спектра, высокая однородность параметров по поверхности элементов, простота конструкции и технологичность.

Несмотря на эти преимущества, солнечные элементы остаются приборами, достаточно дорогими для широкого использования. Основная причина этого -- высокая стоимость полупроводникового материала. Выход из создавшегося положения существует: вместо полупроводниковых пластин с типичной толщиной 0,3 мм можно использовать тонкие полупроводниковые пленки толщиной около 1 мкм, нанесенные на различные недорогие подложки (металлы, стекло, полимеры). Получить такие пленки, обладающие достаточно высокой фоточувствительностью, оказалось непросто. Однако эта задача в настоящее время может считаться решенной. Пленки аморфного кремния, легированного водородом, оказались подходящими для этой цели.

Естественно, что в тонкопленочных приборах роль поверхности и границ раздела возрастает, и технология изготовления таких структур, требующая точного соблюдения оптимальных режимов, в этом смысле даже более сложна, чем стандартная пленарная технология микроэлектроники.

2.4 Сверхпроводящие пленки. Высокотемпературная

сверхпроводимость

Эффект сверхпроводимости, открытый еще в 1911 г., довольно давно применяется в науке и технике. Его использование позволило создать мощные магниты (применяемые, например, в установках для исследования управляемого термоядерного синтеза, при разработках безрельсовых транспортных средств с магнитной подвеской), силовые кабели, сверхбыстродействующие тонкопленочные переключающие элементы, датчики сверхмалых токов и магнитных полей (так называемые сквиды -- сверхпроводящие квантовые интерферометры).

Два последних типа приборов, а также и ряд других им подобных, созданы на основе сверхпроводников, разделенных тонкими (до 1,5 нм) диэлектрическими, металлическими или полупроводниковыми прослойками или перемычками. На основе таких слоистых структур были созданы интегральные схемы (переключатели, генераторы, запоминающие элементы и др.). Ведутся разработки супер-ЭВМ на сверхпроводниковых интегральных схемах.

Преимущества сверхпроводников и приборов на их основе позволили бы им занять более значительное место в различных областях, если бы не одно обстоятельство. До 1986 г. все известные сверхпроводящие материалы проявляли это свойство только при очень низких температурах, недалеко отстающих от абсолютного нуля. Рекордсменом до недавнего времени являлось соединение Nb₃Ge с температурой сверхпроводящего перехода 23,2 К (немного выше температуры жидкого водорода). Задача охлаждения до таких низких температур давно решена, но такие процессы остаются сложными и (что более важно) очень дорогостоящими. Чрезвычайно соблазнительным являлось получение материалов с температурой сверхпроводимости, не меньшей температуры жидкого азота (77 К -- 196° С), который в определенном смысле представляет собой отход металлургической промышленности (образуется при производстве жидкого кислорода) и стоит очень дешево.

В 1986 году в соединении BaLaCuO удалось обнаружить сверхпроводимость при температуре 35 К. В 1987 г. на керамике YBaCuO достигнута температура 92 К. В настоящее время имеются публикации о достижении на подобных соединениях температуры сверхпроводимости около 150 К! Таким образом, за несколько лет произошел революционный скачок в исследованиях сверхпроводимости, открывающий большие перспективы. Открытый эффект пока не имеет теоретического объяснения (напомним, что теория сверхпроводимости для известных ранее материалов была создана только через 46 лет после открытия эффекта сверхпроводимости), но уже ведутся работы по его применению в различных областях.

Не касаясь таких отраслей, как силовая электроника, транспорт и т. п., остановимся на некоторых аспектах получения и использования тонкопленочных структур на основе высокотемпературных сверхпроводников. Именно эти структуры могут явиться основой для изготовления нового поколения сверхпроводниковых дискретных элементов и интегральных схем для использования в микроэлектронике и связанных с нею отраслях.

Получение топких пленок любых материалов всегда сопряжено с рядом трудностей. Их причины различны, но фундаментальным ограничением является влияние поверхностей и границ раздела пленок на их параметры и отклонение последних от характеристик блочного материала. Природа такого влияния различна. Это и возникновение поверхностных электронных состояний, заряд на которых может неконтролируемым образом изменяться при адсорбции примесей из атмосферы, и механические напряжения, особенно сильно проявляющиеся в тонкопленочных структурах, и возможность диффузии инородных атомов через поверхности и границы раздела, и, наконец, химические реакции на границах раздела фаз. При этом материал пленки может взаимодействовать как с материалом подложки, так и с имеющимися в ней примесями.

Кроме того, следует учитывать ориентирующее влияние кристаллической решетки подложки на кристалло-структуру пленки. Здесь уместен пример эпитаксиальных полупроводниковых пленок на монокристаллических подложках. При изменении режимов роста пленки (скорость осаждения, соотношение реагирующих компонентов, температура) степень ее совершенства может меняться от монокристалла (с большей или меньшей степенью дефектности) до поликристаллического и даже аморфного состояния.

Все описанные эффекты в полной мере проявляются при изготовлении структур, состоящих из сверхпроводящей пленки на подложке. Поскольку работы в этом направлении начаты совсем недавно, пока трудно говорить об открытии фундаментальных закономерностей и разработке оптимальных технологий создания таких структур. Но уже в настоящее время получены пленки из высокотемпературных сверхпроводников с различной степенью структурного совершенства, на различных подложках с температурой сверхпроводящего перехода свыше 10 К. Очень большое влияние на параметры пленок оказывают не только скорость и режимы их нанесения, но и последующие термические обработки (длительность, температура отжига, газовое окружение, скорость охлаждения).

Весьма актуальна задача изготовления подобных пленочных структур на кремниевых подложках. Поскольку кремний в ближайшем будущем останется основным материалом интегральной электроники, то структура «пленка из высокотемпературного сверхпроводника - Si» исключительно перспективна для быстрого внедрения в производство интегральных схем с улучшенными параметрами и новых приборов с использованием всего арсенала уже отработанных технологических операций интегральной электроники, Такие структуры уже созданы, однако выявился ряд проблем. Одна из них -- активное взаимодействие поверхности кремниевой подложки с кислородом, входящим в состав пленок. Показано, что сверхпроводящие свойства пленок очень чувствительны к содержанию в них кислорода, поэтому происходящая реакция пагубно сказывается на параметрах пленок. Для уменьшения ее влияния на поверхность Si наносят буферные диэлектрические или металлические слои. Ученые и технологи ищут их оптимальный состав, толщины и режимы нанесения.

Другая привлекательная сторона использования кремниевых подложек заключается в возможности изготовить на них методами планарной технологии встроенные в кристалл охлаждающие элементы. Их работа основана на эффекте Пельтье -- охлаждении контакта двух проводящих твердых тел, имеющих разную работу выхода, при пропускании через контакт электрического тока. Таким образом, отпадает необходимость в использовании жидкого азота или других внешних охлаждающих устройств, и интегральная схема, сохранив малые габариты, сможет работать при комнатной температуре ее корпуса, а охлаждаться будут только необходимые участки подложки, термоизолироваиные от корпуса. Подобные охлаждающие элементы уже разработаны, а быстрые успехи в разработках методов синтеза высокотемпературных сверхпроводников позволяют ожидать в будущем новых, может быть, неожиданных результатов.

Заключение

Для исследования поверхности в настоящее время широко используются такие методы, как рентгеноструктурный анализ поверхности, Оже-спектроскопия, фотоэлектронная спектроскопия и спектроскопия характеристических электронных потерь, комбинационное и резерфордовское обратное рассеяние, масс-спекшроскопия вторичных ионов, и многие другие чрезвычайно интересные современные методики.

Физика поверхности очень эффективно применяется в микроэлектронике

Именно микроэлектроника в настоящее время позволила наиболее полно применить на практике закономерности, описывающие формирование процессов поверхностного типа. С другой стороны, развитие микроэлектроники предоставляет ученым уникальную возможность исследования поверхностных явлений: квантования в поверхностных каналах, резонансного туннелирования, фазово-структурных поверхностных превращений, процессов эпитаксии, эффектов в сверхрешетках и т.п.

Термин «наноэлектроника» отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенностью наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, -- это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Мировое научное сообщество сейчас активно дискутирует на тему квантовых битов, квантовых компьютеров и квантовой криптографии. Это наиболее яркие примеры того принципиально нового, чего можно добиться в области наноэлектроники. Перечисленные вещи, вообще говоря, фантастические, и до сих пор многие сомневаются, удастся ли что-либо из этого реализовать. По самым же оптимистичным прогнозам, современные компьютеры будут выглядеть в сравнении с квантовыми как телега на фоне «Мерседеса», настолько принципиально сильным ожидается отличие в скорости вычислений и в используемой алгоритмической базе.

Объём нынешнего рынка исследований и разработок в области микроэлектроники эксперты оценивают в два-три триллиона долларов. Ожидается, что в ближайшие годы рынок, связанный с нанотехнологией, достигнет одного триллиона долларов, и примерно треть от этой цифры -- изделия наноэлектроники.