WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Влияние термического отжига на чувствительность кремниевых МОП диодов к восстановительным газам © В.И. Балюба, В.Ю. Грицык, Т.А. Давыдова, В.М. Калыгина¶, С.С. Назаров, А.В. Панин, Л.С. Хлудкова Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова, 634050 Томск, Россия Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, 634021 Томск, Россия (Получена 14 марта 2006 г. Принята к печати 6 апреля 2006 г.) Исследовано влияние термического отжига в интервале 200-610C на чувствительность и временные зависимости отклика диодов Pd–SiO2–n-Si к водороду и аммиаку. Поверхность Pd-электрода после отжига исследовалась с помощью атомно-силовой микроскопии. Измерены высокочастотные вольт-фарадные характеристики на воздухе и в газовых смесях H2/воздух и NH3/воздух. Показано, что после отжига при 200C в течение 10 мин отклик емкости диодов на водород выше отклика на аммиак. После отжига при 300C и более высоких температурах чувствительность МОП диодов к водороду практически исчезает, в то время как отклик на аммиак все еще остается высоким, хотя постепенно уменьшается с повышением температуры отжига. Снижение чувствительности диодов Pd–SiO2–n-Si к аммиаку с повышением температуры отжига объясняется ухудшением электрических характеристик Pd-электрода.

PACS: 73.40.Qv, 81.40.Ef, 85.30.Kk 1. Введение ной работе в качестве способа управления свойствами диодов Pd–SiO2–n-Si предложен термический отжиг.

Известно, что кремниевые МОП структуры (МОП Представлены результаты исследований влияния термиконденсаторы, полевые транзисторы, МОП диоды) обна- ческого отжига на чувствительность кремниевых МОП руживают чувствительность к восстановительным газам, диодов к аммиаку и водороду.

если затвор или барьерный электрод выполнены из каталитически активного металла (Pt, Pd, Ir) [1–6].

2. Эксперимент Электрические характеристики МОП структур определяются величиной и знаком поверхностного потенциДиоды изготавливали на осное эпитаксиальных струкала s. Если по какой-либо причине изменяется s, тур n+-n-Si с удельным сопротивлением n-слоя то увеличиваются или снижаются прямой и обратный = 5-7Ом· см. Сначала кремниевые пластины химитоки МОП диодов, емкость и активная проводимость.

чески очищали и травили в HF, чтобы убрать естеИменно этот эффект лежит в основе использования ственный оксид. Пленку SiO2 толщиной 0.3 мкм форМОП диодов в качестве газочувствительных элементов.

мировали в сухом кислороде при температуре 1100C.

Как правило, диоды Pd–SiO2–n-Si с туннельно-тонким Тыльный омический контакт к полупроводнику создаслоем SiO2 наиболее чувствительны к водороду [1,2,4], вали нанесением алюминия с последующим отжигом в но при определенных условиях их чувствительность вакууме в течение 5 мин при температуре 530C. На к аммиаку становится больше, чем к водороду [7].

поверхность слоя SiO2 наносили платиновую пленку На основе диодов Pd–SiO2–n-Si могут быть разработаи с помощью фотолитографии формировали нагреваны сенсоры NH3 с рабочей температурой 20-30C и тельный элемент и контактную площадку к палладиенебольшими смещениями на диоде (0.2-0.6В). Однако вому электроду. В диоксиде кремния вскрывали окна в настоящее время не существует однозначной модели, и термическим испарением в вакууме наносили пленку определяющей физико-химические процессы, которые палладия толщиной 25 нм. Палладиевый электрод с плоформируют отклик диодов на аммиак. Отсутствие такой щадью 2.4 · 10-3 см2 формировали методом взрывной модели существенно сдерживает разработку технологии фотолитографии. При использованной технологии изгоизготовления сенсоров, селективных к аммиаку.

товления структур Pd-электрод оказывался отделенным Анализ опубликованных экспериментальных данных от кремния туннельно-прозрачным слоем естественного показывает, что наибольшие изменения порогового наоксида SiO2.

пряжения полевых транзисторов (ПТ) и напряжения После окончания всех операций кремниевые пластины плоских зон МОП конденсаторов наблюдаются в том отжигали в воздушной среде в течение 10 мин при случае, если затвор ПТ или барьерный электрод кондентемпературе 200C и затем скрайбировали на отдельные сатора оказываются проницаемыми для молекул NH3.

чипы размером 1 1мм (см. рис. 1). Далее диоды С этой целью затворы ПТ и барьерные электроды монтировали на кристаллодержатели с помощью золоизготавливают пористыми либо „подвешенными“. В дантой проволоки диаметром 50 мкм. Для исследований ¶ E-mail: vmk@elefot.tsu.ru влияния термического отжига на газочувствительные Влияние термического отжига на чувствительность кремниевых МОП диодов... диодов, измеренная в режиме аккумуляции, изменяется при экспозиции диодов в газовой смеси водород/воздух.

Напряжение плоских зон (Ufb) диода с Tan = 200C в воздушной среде равно 1.05 В и снижается до 0.75 В в водородной среде. Диоды, отожженные при Tan = 200C, обнаруживают влияние NH3, но отклик на аммиак меньше, чем отклик на водород.

Рис. 1. Схематическое изображение кремниевого МОП диода.

свойства диодов Pd–SiO2–n-Si часть образцов отжигали на воздухе при температуре Tan = 300, 400, 500 и 610C в течение 10 мин.

Измерены статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) и вольт-фарадные характеристики (ВФХ) на частоте 1 МГц в воздушной среде и в газовых смесях аммиак/воздух и водород/воздух. Исследованы временные зависимости изменений емкости при фиксированном напряжении при экспозиции диодов в водороде и аммиаке.

Для измерений в газовых средах (водород/воздух, аммиак/воздух) образцы помещали в герметичную камеру.

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики диодов, отожженных Рабочая температура сенсора Top изменялась пропуска- при различных температурах. Температура отжига Tan в C нием тока через нагревательный элемент.

указана около кривых.

3. Результаты эксперимента С повышением температуры отжига диодов Pd–SiO2– n-Si снижается крутизна ВФХ (dC/dU) на участке модуляции емкости и уменьшается ее максимальное измеренное значение (рис. 2). Монотонный рост емкости диодов, отожженных при Tan = 200-300C, сменяется кривыми с максимумом после отжига при 400-610C. При этом значения концентрации доноров в n-Si, найденные из обратных ВФХ, практически не изменялись.

На рис. 3 показан сдвиг вольт-фарадных характеристик диодов с Tan = 200 и 300C вдоль оси напряжений при экспозиции их в смесях (350 ppm H2)/воздух и (350 ppm NH3)/воздух по сравнению с характеристиками, измеренными в воздушной среде. Как правило, вольт-фарадные характеристики в водородной среде сдвигаются не параллельно относительно ВФХ, измеренных на воздухе. Наиболее ярко этот эффект проявляется при высоких концентрациях водорода. В наших Рис. 3. Вольт-фарадные характеристики диодов, отожженых многочисленных экспериментах с диодами Pd–SiO2–Si при Tan = 200 и 300C, измеренные в воздушной среде (air) и наблюдалось как увеличение наклона ВФХ на участке в газовых смесях (350 ppm H2)/воздух и (350 ppm NH3)/воздух.

модуляции при экспозиции в водороде, так и его сниже- Рабочая температура диода Top = 20C. Значения Tan в C ние. В отличие от МОП конденсаторов, емкость МОП указаны около кривых.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1472 В.И. Балюба, В.Ю. Грицык, Т.А. Давыдова, В.М. Калыгина, С.С. Назаров, А.В. Панин, Л.С. Хлудкова уменьшается гораздо быстрее отклика на аммиак, и после отжига при 400C и более высоких температурах чувствительность Pd–SiO2–n-Si диодов к водороду практически исчезает.

При варьировании рабочей температуры в интервале 35-90C отклик емкости в среде (350 ppm NH3)/воздух сначала возрастает до Cg/C = 2.0, а затем снижается до 1.28. Аналогичный ход температурной зависимости отклика на аммиак наблюдался в работе [8] для полевых транзисторов с платиновым затвором на основе SiC в диапазоне температур 250-450C.

На рис. 5 приведены временные зависимости емкости диодов после отжига при Tan = 200 и 300C, измеренные в газовых смесях H2/воздух и NH3/воздух, при напряжении U = 0.6 В. Время отклика r, найденное по уровню 0.9, при экспозиции в водороде независимо от значения Tan составляет больше 500 с при рабочей температуре Top = 20C. Такого же порядка получены значения r в среде с аммиаком для диода с Tan = 200C.

Рис. 4. Зависимости емкости при прямом смещении на В водородной и аммиачной средах времена восстановдиоде 0.6 В (1) и изменения напряжения плоских зон Ufb (2) ления диодов (f), отожженных при 200C, оказываются от концентрации водорода NH2 при рабочей температуре слишком большими.

Top = 35C. На вставке — зависимость прямого тока диода при После отжига диодов при Tan = 300-610C времена напряжении 0.2 В от концентрации водорода при Top = 20C.

отклика r и восстановления f в среде с аммиаком резко снижаются, в то время как в водороде r и f остаются практически без изменений (рис. 5). Для большинства Установлено, что при воздействии водорода емкость диодов с Tan = 300C время отклика на 350 ppm NHпри фиксированном напряжении на диоде, а также уменьшается в 10 раз и составляет 20-40 с при раизменение напряжения плоских зон Ufb пропорциональ- бочей температуре 20C. Времена отклика на аммиак ны корню квадратному из концентрации водорода NH таких диодов постепенно уменьшаются с увеличением (рис. 4). Аналогичного типа концентрационная зависи- концентрации NH3 и снижаются с повышением рабочей мость получена для прямого тока диода при фиксиро- температуры.

ванном смещении (вставка на рис. 4).

В отличие от водородной среды в газовой смеси NH3/воздух всегда наблюдается параллельный сдвиг вольт-фарадных характеристик даже при высоких концентрациях аммиака, и емкость диода, измеренная в режиме аккумуляции, не изменяется. Для большей части диодов зависимость емкости при фиксированном напряжении от концентрации аммиака NNH описывается как C ln NNH.

Зависимость величины отклика Cg/C, определяемого как отношение емкости в газе (Cg) к емкости в воздушной среде (C), от напряжения на диоде представляет собой кривую с максимумом. После отжига при 200C максимальный отклик диода при воздействии газовой смеси с 350 ppm H2 в воздухе равен 5 при напряжении 0.5 В. Для этого же диода в смеси с 350 ppm NHв воздухе Cg/C = 2.7 при U = 0.6 В. Таким образом, после отжига при 200C диоды Pd–SiO2–n-Si обладают Рис. 5. Изменение емкости во времени при воздействии (возчувствительностью и к водороду, и к аммиаку.

растающие зависимости) и после прекращения воздействия Максимальный отклик диода, отожженного при (падающие зависимости) газовой смеси (350 ppm H2)/воздух 300C, на смесь с 350 ppm H2 уменьшается до либо (350 ppm NH3)/воздух на диоды, отожженные при темCg/C = 1.05, в то время как отклик на газовую смесь пературах Tan = 200 и 300C. Рабочее напряжение на диоде с 350 ppm NH3 равен 1.7. По мере повышения темпе- U = 0.6 В, рабочая температура Top = 20C. Значения Tan в C ратуры отжига до Tan = 400-610C отклик на водород указаны около кривых.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние термического отжига на чувствительность кремниевых МОП диодов... Независимо от температуры отжига процессы вос- шкалой справа не превышает 0.4-0.8нм (рис. 6, a). Как становления емкости оказываются более длительными видно из рис. 6, по мере повышения температуры отжига по сравнению с установлением стационарных значений рельеф Pd-пленки становится более ярко выраженным.

емкости при подаче газа. Узкие трещины в тонкой (25 нм) Pd-пленке становятся шире по мере увеличения температуры отжига до 610C (рис. 6, b–d).

4. Обсуждение результатов Предполагается, что во время термоотжига Pd реэксперимента агирует с кремнием с образованием силицидов палладия [10]. В результате в барьерном электроде разВлияние водорода на напряжение плоских зон МОП виваются механические напряжения, которые приводят диодов можно описать с помощью следующей модек разрывам и трещинам в палладиевой пленке и, как ли [4]. В процессе диссоциативной адсорбции водорода следствие, увеличению ее сопротивления. Как показано часть его атомов закрепляется на внешней поверхности в работах [11,12], увеличение сопротивления барьерного палладиевого электрода, а другая часть растворяется в электрода вызывает уменьшение измеряемой емкости пленке Pd. Незадействованные в этих двух процессах барьерной структуры. Кроме того, на границе раздела атомы водорода за счет диффузии достигают границы SiO2–Si возрастает плотность поверхностных состояний, раздела Pd–SiO2. Предполагается, что часть этих атомов что вызывает снижение крутизны вольт-фарадных харакадсорбируется на этой границе, образуя диполи, электеристик (ВФХ) [13]. Таким образом, изменение ВФХ трическое поле которых уменьшает термодинамическую диодов после термического отжига при Tan 300C работу выхода электронов из Pd. В результате уменьшаобусловлено увеличением сопротивления барьерного ется контактная разность потенциалов Uc и напряжение электрода и повышением плотности поверхностных соплоских зон Ufb [4]:

стояний на границе раздела SiO2–Si.

Qs(s = 0) +Qd Силициды палладия имеют металлический тип провоUfb = - - Uc, Cd/s димости, но не обладают каталитическими свойствами, что объясняет резкое снижение чувствительности диогде Qs(s = 0) < 0 — плотность заряда на поверхностдов, отожженнных при Tan 300C, к водороду.

ных состояниях при s = 0; Qd — плотность заряда в Снижение отклика диодов на аммиак после отжига диэлектрике (обычно больше 0); Cd — емкость диэлекпри 300C и выше связано с ухудшением электрических трика; s — площадь барьерного контакта.

характеристик диодов. Влияние сопротивления пленки Оставшиеся свободными атомы водорода за счет дифбарьерного элекрода на величину отклика кремниевых фузии через толщу пленки SiO2 достигают границы МОП структур наблюдалось в работе [14].

раздела SiO2–n-Si [6]. Подавляющая часть этих атомов Из данных рис. 5 следует заметное различие в кизахватывается здесь на различные дефекты. При этом нетике формирования отклика диодов на водород и некоторые атомы принимают участие в образовании аммиак. При равных концентрациях H2 и NH3 в газовых нейтральных комплексов с акцепторными поверхностсмесях с воздухом время отклика диода на аммиак после ными состояниями (ПС), а другие отдают электрон в отжига при 300C много меньше, чем время отклика зону проводимости n-Si и закрепляются на этой границе при воздействии водорода. Учитывая этот факт, а также раздела в виде протонов. Нейтрализация отрицательно резкое снижение чувствительности к водороду диодов, заряженных ПС и увеличение положительного заряда на отожженных при Tan 300C, мы считаем непримегранице раздела SiO2–n-Si за счет образования протонов нимой в нашем случае модель отклика на аммиак, должны приводить к уменьшению Ufb [6].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.