книги / Микроструктуры интегральной электроники

Согласно оценкам минимальных размеров МП структур с барь­ ером Шотки в случае физических ограничений их минимальные размеры могут быть в пределах 0,06—0,3 мкм (§ 1.9). Для МП структур с р+(я+)-, р{п)- слоями на п(р)- и р+ (л4)-полупровод­ никах соответственно при рассмотренных физических ограничени­ ях минимальные размеры изменяются в тех же пределах. Однако для этих МП структур только флуктуации количества примесей

гая справедливость распределения Пуассона для /гпр, по (1.157),

—0,15 мкм. Верхнее значение размеров ниже, чем полученное при других рассмотренных физических ограничениях, роль которых для МП структур с р+ -слоем уменьшается.

Однако для МП структур на р+-п-, п {п*)-«'■ (я) -полупроводни­ ках по сравнению с МП структурами на однородных полупровод­ никах повышается роль технологических ограничений минималь­ ных размеров структур, определяемых точностью создания задан­ ной концентрации примесей ппр в приповерхностном слое полу­ проводника по площади МП структуры. Если при изготовлении МП структуры субмнкронных размеров используется твердофаз­ ное осаждение /г'-слоя из твердого раствора Al : Si на поверхно­

щади структуры может привести к необходимости увеличивать

Меньшее некоторого значения 6, потребует увеличения размеров структуры. Наиболее сильное влияние неоднородности по фо и L проявится на ВАХ.

Если неоднородность обусловлена локальными изменениями р+-слоя, то, предполагая, что имеется только одна область с;рук-

[

|д е отношение djdH определяет необходимое превышение размеров ртруктуры над размером области с измененным ф0. Как видно из

(2.112), при заданном значении 6 отношение d/da определяется величиной и знаком Дфо.

При Д<ро>0 и Дфо~>1гТ

локальных участков структуры d/d„ значительно меньше, чем при пониженных. Например, при 6 = 0,2 Дфо = 0,25 эВ, d/da= 2,2 и 2,9X ХЮ 2, если ф0 повышается и понижается соответственно. Если учесть, что минимальный размер, при котором неоднородность различима, dHæ L , то полученные значения dfdu означают, что не­ обходимо увеличить минимальные размеры структуры в несколь­ ко раз по сравнению с L в первом случае и в несколько сотен раз во втором.

Аналогично можно рассмотреть изменение емкости С структу­ ры при изменении фо на отдельных участках структуры. Тогда

структурах, может обусловить необходимость существенного уве­ личения минимальной площади структуры только в элементах, ис­ пользующих ВАХ.

2,10. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУКТУР В ЭЛЕМЕНТАХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Как следует из §2.1—2.8, на основе М-р+-п-П и М -я(л1)-п+(п)~ II структур возможно создание элементов, использующих потен­ циальный барьер фт ах для носителей заряда; зарядные свойства ОПЗ полупроводника.

Если М-р+-п-П структуры использовать в ДШ , шунтирующем коллекторный р-п переход транзистора, то необходимо оптимизи­ ровать ф0 [1], учитывая зависимость коэффициента инжекции не­ основных носителей в структуре от напряжения (§ 2.3), так как в таком ДШ должно быть минимальным накопление носителей.

Применение этой структуры для создания ДШ в биполярных микропроцессорных БИС требует получения заданного значения Фо и минимизации обратных токов. Для этого необходимо создать Р'г-слой с параметрами согласно (2.20) и уменьшить концентра­ цию глубоких уровней в полупроводнике, обусловливающих гене­ рационный ток при обратных напряжениях ('§ 2.4).

Усилить зависимость емкости от напряжения МП структур не­ обходимо, например, для повышения коэффициента перекрытия |3 92

параметрического диода (р — отношение емкости Стах при задан­ ном прямом токе, соответствующем прямому напряжению U*, к емкости при заданном обратном напряжении U~). Эго может быть достигнуто в М-п+-слой-/г-П структурах. Если распределение примесей в п^-слое описывается линейным либо ступенчатым з а ­ коном, то

(2.116)

•ГДе Рравн- Cmax/Cmin—[ (фо-\~eU~ )|/(фо—бН ^)]1/2, B —A2I3—W2, А — глубина обогащения при линейном законе распределения приме­ сей, W — глубина обобщ ения при ступенчатом законе, щ и л8 — концентрация примесей в эпитаксиальном слое и на поверхности полупроводника. Анализ (2.116) показывает, что для осуществле­ ния максимального изменения емкости с напряжением необходи­ мо использовать М-тг'-п-П структуру, когда ширина слоя Шотки

Из приведенных характеристик М-л-ян-П структур с барьером Мотта следует, что их применение эффективно, когда для повы­ шения надежности и стабильности приборов нужны элементы с достаточно большой площадью, и желательно, чтобы при этом их емкость оставалась малой. Поскольку толщину ОПЗ барьера Мот­ та можно сделать значительно большей, чем в МП структуре на однородном полупроводнике (§ 1.1), то для СВЧ-диодов при за­ данной частоте отсечки при прямом напряжении возможно уве­ личение их площади.

ГЛАВА 3. ТУННЕЛЬНЫЕ МТДП СТРУКТУРЫ

Критерием, определяющим, когда металлтонкий диэлектрикполупроводник (МТДП) структура является системой, отличаю­ щейся от МП, МДП структур, может быть степень перекрытия ф функций электронов металла, поверхностных центров и полупро­ водника. Можно также считать, что МТДП структура является особой системой, когда толщина тонкого диэлектрика (ТД) срав­ нима с длиной волны электрона. Для электронов, обладающих средней тепловой энергией, критической толщиной ТД является значение 8-10-7 см. МТДП структуры с такой толщиной ТД — туннельные структуры. Оценки показывают, что МП структуры с ТД толщиной, по крайней мере, несколько нанометров являются системой, по физическим параметрам отличающейся от МП и МОП (МДП) структур и требующей отдельного детального изу­ чения.

К туннельным МТДП структурам отнесем также поверхностно­ барьерные МП структуры с тонким переходным слоем: м еталл—- широкозонный — узкозонный полупроводник, металл — квазиаморфный полупроводник (твердый раствор металла в полупро­ воднике) — полупроводник [5]. Роль ТД в этих структурах игра­ ет обедненный слой широкозонного или квазиаморфного полупро­ водника.

В этой главе для физических моделей МТДП структур, изобра­ женных на рис. 3.1, приведены результаты расчетов высоты барье­ ра и других параметров ОПЗ, ВАХ, ВФХ структур в предположе­ нии, что на границе ТД-П имеется локальный уровень или зона ПС с постоянной плотностью концентрации N(&i) и постоянным сечением захвата электрона и дырки поверхностным уровнем Си (рис. 3.1,а). Приводится расчет высоты барьера ОПЗ, ВАХ и эле­ ментов эквивалентной схемы структур в случае произвольного расположения зоны (уровня) ПС (рис. 3.1,6) в диэлектрическом слое для ряда конкретных, но достаточно общих предположений о структуре ПС. Даны теоретические модели и результаты экспе­ риментов по изучению электронных явлений в структурах на вы­ соколегированных полупроводниках, в структурах с инверсион­ ным изгибом зон, приводящим к образованию подзон двумерных поверхностных электронов. Отмечается ряд особенностей осцилля­ ций туннельной проводимости МТДП структур с инверсионным изгибом зон в квантующих магнитных полях. Приводятся резуль­ таты изучения влияния квантования на емкость МТДП структур в случае сильного обогащения.

Определение высоты барьера через UKи заряд на ПС. В МТДП структурах с ПС на границе раздела полупроводник-ТД и в ТД высота барьера в полупроводнике <ро определяется UK и зарядом на ПС (рис. 3.1). Когда зарядом в объеме ТД толщиной d можно пренебр?:ь

мости ТД и полупроводника соответственно; <р°0 — высота барье­

Формула (3.1) пригодна для структур с зоной ПС и с дискретными уров­ нями. Для расчета фо/е определим (a00i,i,v—о°<лд) и <р°о/е при следующих предположениях о структуре и свойствах ПС [1, 3]. Если изменение заряда в ПС после контактирования определяется только изменением заполнения ПС, то как для зоны ПС, так и для дискретных уровней изменение заряда на ПС после контактирования может быть рассчитано по формуле:

сле и до контактирования. Плотность концентрации уровней в зоне зависит or энергии по закону

а> 0 увеличивается и готтосгь в направлении верхнего края зоны, а при а < 0 ~ в направлении нижнего края зоны.

Сечение захвата электрона или дырки поверхностным уровнем или коэф­

где к принимает значения я, р, m; С°щ, C°iK — сечения захвата при

biK — коэффициенты, определяющие степень зависимости сечения захвата

Л/* 10'! en 2

Рис. 3.3. Концентрация nif (а, б) а положение (в) уровней I—VI на границе SiOx-Si в структурах А1SiO* (2 нм)-я-Si с различ­ ной высотой барьера <ро

проводника с нарушенной стехиометрией из-за диффузии из него металла (металлоида) в слой металла) экспериментально най­ дено изменение системы ПС и показано, что высота барьера <ро

полупроводника, реконструкция не приводит к образованию ПС в запрещенной зоне, например GaAs, и образуется ТД (смесь окис­ лов Ga, As), то, как показано теоретически в [44], система ПС на границе GaAs-ТД может формироваться из-за проникновения вол­ новых функций металла в запрещенную зону полупроводника и их концентрация уменьшается при увеличении толщины ТД d/г. Получено экспериментальное подтверждение этой модели ПС.

Для структур металл (слой соединения металла с полупро­ водником) -ТД-полупроводник, например для структур на Si с си­ лицидами различных металлов, исследование зависимости <р0 от UK показало, что <ро незначительно зависит от работы выхода си­ лицида <рс [5, 17, 19]. Это может свидетельствовать о том, что со­ став силицида MSi на границе MSi-Si отличается от состава

3.2. ПЕРЕЗАРЯДКА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ НА ГРАНИЦЕ 2ТД-П ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ

Перезарядка ПС, стимулированная напряжением. При прило­ жении к МТДГ1 структуре напряжение распределяется следующим

вие непрерывности вектора электрической индукции иа границе

-EidjEiLo(U— U‘1). При Ui^>U2 U i= {z\Llz2d) (U— £/Д). Значение U*i зависит от преимущественного обмена ПС носителями заряда с металлом или полупроводником. Для преимущественного обмс на поверхностного уровня с полупроводником