ZAK AD CHARAKTERYZACJI STRUKTUR NANOELEKTRONICZNYCH

ZAK AD CHARAKTERYZACJI STRUKTUR NANOELEKTRONICZNYCH Kierownik: doc. dr hab. in. Henryk M. PRZEW OCKI e-mail: hmp@ite.waw.pl, tel. (0-22) 548 77 50, fax 0-22 847 06 31 Zespó³: doc. dr in. Lech Borowicz, e-mail: lbor@ite.waw.pl, dr Pawe³ Borowicz, e-mail: borowicz@ite.waw.pl, dr in. Tomasz Gutt, e-mail: tgutt@ite.waw.pl, mgr in. Witold Rzodkiewicz, e-mail: rzodki@ite.waw.pl, mgr in. Krzysztof Piskorski, e-mail: kpisk@ite.waw.pl, mgr in. Tomasz Ma³achowski, e-mail: tmalacho@ite.waw.pl Osoby wspó³pracuj¹ce: mgr in. Danuta Brzeziñska, Zbigniew Sawicki 1. Projekty badawcze realizowane w 2008 r. W Zak³adzie Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych w 2008 r. realizowano nastêpuj¹ce tematy: Rozwój metod badania w³aœciwoœci fizycznych struktur MOS nowych generacji (temat statutowy nr 1.11.052, etap III); Silicon-Based Nanostructures and Nanodevices for Long Term Nanoelectronics Applications ( Nanostruktury i nanoprzyrz¹dy oparte na krzemie dla perspektywicznych zastosowañ w nanoelektronice ). Network of Excellence NANOSIL 7. PR UE (nr kontraktu 216171, kierownik zadania H. M. Przew³ocki); Nowe technologie na bazie wêglika krzemu i ich zastosowanie w elektronice wielkich czêstotliwoœci, du ych mocy i wysokich temperatur (projekt badawczy zamawiany PBZ-MEiN-6/2/2006). W ramach projektu samodzielny projekt badawczy pt. Opracowanie metod charakteryzacji parametrów pod³o y SiC i ich powierzchni granicznych z innymi materia³ami oraz ich wykorzystanie do badania struktur realizowanych w PBZ (kierownik projektu H. M. Przew³ocki); Opracowanie fotoelektrycznych, elektrycznych i optycznych metod badania nowych generacji struktur MOS (projekt badawczy nr N515 022 31/0908, kierownik projektu H. M. Przew³ocki); Zastosowanie metody spektroskopii impedancyjnej do pomiarów w³aœciwoœci struktur pó³przewodnikowych nowej generacji (projekt badawczy nr N515 004 31/0303, kierownik projektu T. Gutt); Eksperymentalne i teoretyczne badania w³aœciwoœci fizycznych izolatorów o wysokiej przenikalnoœci elektrycznej w strukturach MOS (projekt badawczy nr 0646/B/T02/2008/35, kierownik projektu W. Rzodkiewicz).

2 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. 2. Wspó³praca badawcza z partnerami Wysoka ocena wyników naszych badañ ró nych struktur nanoelektronicznych oraz udzia³ w Europejskim Centrum Doskona³oœci NANOSIL spowodowa³y, e kilka œwiatowych centrów naukowych i przemys³owych zwróci³o siê w 2008 r. do Zak³adu z proœb¹ o wykonanie badañ struktur. W ramach tej wspó³pracy wykonano (lub wykonuje siê nadal) badania czterech partii ró nych struktur pó³przewodnikowych, wytworzonych w zagranicznych laboratoriach. Partia struktur MOS, W-SiO 2 -Si(P) i TiN-SiO 2 -Si(P), wytworzona w firmie AMO GmbH w Aachen (Niemcy), z³o ona z szeœciu utlenionych p³ytek krzemowych, na których naniesiono bramki metaliczne (W lub TiN) o trzech ró nych gruboœciach t G = 10, 25 i 40 nm. Gruboœæ SiO 2 na wszystkich p³ytkach t ox = 8,9 nm. Wytwórcom struktur chodzi³o przede wszystkim o zbadanie mo liwoœci zastosowania wolframu i azotku tytanu jako materia³ów bramek metalicznych nanotranzystorów MOS. Szczególnie zale a³o im na pomiarach fotoelektrycznych wysokoœci barier potencja³u na powierzchniach granicznych W-SiO 2 i TiN-SiO 2. Partia struktur MOS, Al-SiO 2 -SiC(3C) i Au-SiO 2 -SiC(3C), wytworzona w firmie Acreo (Szwecja), z³o ona z trzech utlenionych p³ytek SiC(3C), na które naniesiono pó³przezroczyste bramki Al (2 p³ytki) i Au (1 p³ytka). Wyniki badañ tej partii s¹ szczególnie interesuj¹ce ze wzglêdu na mo liwoœæ porównania parametrów struktur MOS na pod³o ach SiC(3C) z parametrami struktur na pod³o ach SiC(4H), które Zak³ad bada³ wczeœniej. Partia struktur MOS, Pt-LaLuO 3 -Si, wytworzona w FZJ-Jülich (Niemcy) oraz w Chalmers University (Szwecja), z³o ona z dwóch p³ytek ró ni¹cych siê gruboœci¹ t ox warstwy LaLuO 3 (na pierwszej p³ytce t ox 20 nm, na drugiej t ox 6,5 nm). Partia ta mia³a s³u yæ przede wszystkim ocenie dielektryka high-k, jakim jest LaLuO 3. Dielektryk ten jest obecnie obiektem szczegó³owych badañ w ramach Centrum Doskona³oœci NANOSIL. Partia struktur MOS, W-La 2 O 3 -Si, wytworzona przez Tokyo Institute of Technology (Japonia), z³o ona z szeœciu p³ytek ze strukturami MOS, ró ni¹cych siê gruboœci¹ t ox warstwy La 2 O 3 i temperatur¹ T wygrzewania struktur po metalizacji: t ox = 6, 8 lub 10 nm, T = 300 lub 500 o C. Rozwija³a siê równie wspó³praca z partnerami krajowymi, zw³aszcza uczestnicz¹cymi w PBZ-SiC (Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej IMiO PW, Instytut Technologii Materia³ów Elektronicznych ITME, Wydzia³ Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki ódzkiej WE P ), oraz w tematach zwi¹zanych z badaniami elipsometrycznymi i metod¹ Ramana.

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 3 3. Wyniki prac 3.1. Wykonanie badañ zale noœci charakterystyk sygna³u elektrycznego od d³ugoœci fali œwiat³a w pomiarach metodami LPT i SLPT Od dwóch lat trwaj¹ w Zak³adzie badania nad opracowaniem fotoelektrycznej metody LPT (Light Pulse Technique) okreœlania napiêcia p³askich pasm w pó³przewodniku V FB. Metoda ta polega na jednoczesnym spolaryzowaniu struktury napiêciem bramki V G oraz oœwietleniu jej modulowanym œwiat³em. Œwiat³o w postaci padaj¹cych na strukturê impulsów powoduje, e struktura odpowiada impulsami pr¹du, które mog¹ byæ mierzone 0.00-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2 0.0 Napiêcie V G [V] w uk³adzie zewnêtrznym. Wielkoœæ impulsów pr¹du zale y od wielkoœci potencja³u powierzchniowego S. Je eli wiêc potencja³ S = 0, co odpowiada stanowi wyprostowanych pasm w pó³przewodniku V FB, to sygna³ pr¹dowy zanika. Znajduj¹c zale noœæ wielkoœci tych impulsów pr¹du od przy³o onego do struktury napiêcia polaryzacji V G, mo na okreœliæ w prosty sposób napiêcie V G, dla którego mierzony pr¹d wynosi zero (czyli V FB ). Pokazano to na rys. 1. Punkt zmiany znaku sygna³u u odpowiada napiêciu V G = V FB. Idea metody LPT zosta³a zaproponowana ju w latach szeœædziesi¹tych ubieg³ego stulecia, jednak propozycja ta zawiera³a istotne b³êdy w opisie zjawisk fizycznych, na których metoda siê opiera. B³êdy zosta³y skorygowane w pracach, które ukaza³y siê w latach osiemdziesi¹tych. W pracach tych wyprowadzono i przedstawiono podstawowe zale noœci okreœlaj¹ce charakterystyki sygna³ów elektrycznych uzyskiwanych w metodzie LPT. Metoda, mimo swej niew¹tpliwej atrakcyjnoœci, nie znalaz³a jednak zastosowañ praktycznych, poniewa wyniki pomiarów V FB uzyskiwanych za jej pomoc¹ ró ni¹ siê (niekiedy znacznie) od wyników uzyskiwanych innymi metodami. Wyniki ró ni¹ siê tak e od przewidywañ opartych na znanych dotychczas podstawach teoretycznych metody. Te rozbie noœci, opisane w dalszej czêœci sprawozdania, oraz ich przyczyny s¹ przedmiotem prowadzonych aktualnie badañ. Na rys. 2 pokazano uk³ad pomiarowy s³u ¹cy do realizacji badañ zgodnych z za- ³o eniami metody LPT. W tor œwiat³a wprowadzony jest chopper, który obracaj¹c siê powoduje impulsowe padanie œwiat³a na strukturê. Do wzmacniacza lock-in dochodzi sygna³ referencyjny z choppera oraz sygna³ pomiarowy ze struktury. Mo liwoœæ dopasowania fazy miêdzy dwoma sygna³ami pozwala na pomiary sygna³ów Sygna³ u [V] 0.04 0.03 0.02 0.01 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 V FB =-1.05V -0.002-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2 0.0 Rys. 1. Zale noœæ mierzonego sygna³u na wyjœciu lock-ina w funkcji napiêcia polaryzacji V G. Punkt przeciêcia sygna³u z osi¹ u = 0 wskazuje na wartoœæ napiêcia V FB ( S = 0).

4 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. Œwiat³o u=axbxcos Sygna³ referencyjny b Chopper Sygna³ pomiarowy a Zwierciad³o Wzmacniacz lock-in R Struktura MOS Komputer Oscyloskop Miernik pojemnoœci Rys. 2. Uk³ad pomiarowy do okreœlania napiêcia p³askich pasm V FB metodami LPT i SLPT nawet na bardzo niskim poziomie. W sk³ad stanowiska wchodz¹ tak e cyfrowy oscyloskop oraz miernik pojemnoœci. Metoda SLPT (Scanning LPT), której za³o enia s¹ podobne do za³o eñ metody LPT, polega na skanowaniu ma³¹ plamk¹ (mniejsz¹ od powierzchni struktury) powierzchni bramki i odczycie lokalnych wartoœci napiêcia V FB. Umo liwi to okreœlenie rozk³adu przestrzennego tego napiêcia w p³aszczyÿnie powierzchni bramki. Oczekuje siê, e w pomiarach V FB metod¹ LPT mo liwe bêdzie osi¹gniêcie dok³adnoœci 10 mv. Bêdzie to dok³adnoœæ o rz¹d wielkoœci lepsza ni w przypadku dobrze znanej elektrycznej metody okreœlania napiêcia V FB z pomiarów charakterystyk C(V), gdzie dok³adnoœæ wynosi 100 mv, a przy silnie domieszkowanym pod³o- u jest gorsza. Wstêpne badania wykonane metodami LPT i SLPT potwierdzi³y, e powtarzalnoœæ i precyzja wyznaczania napiêcia V FB jest bardzo dobra, natomiast dok³adnoœæ okreœlania wartoœci V FB jest nadal niewystarczaj¹ca. Wartoœci V FB wyznaczone metod¹ LPT ró ni¹ siê czêsto znacznie od wartoœci okreœlonych za pomoc¹ metody charakterystyk C(V). Dodatkowym problemem jest to, e wyznaczone metod¹ LPT wartoœci V FB zale ¹ w pewnym stopniu od mocy P i d³ugoœci fali œwiat³a oœwietlaj¹cego badan¹ strukturê (nie uwzglêdniaj¹ tego znane dotychczas podstawy teoretyczne metody). Trwaj¹ce od paru miesiêcy intensywne badania nie przynios³y rozwi¹zania tego problemu, ale przyczyni³y siê do dok³adnego sprecyzowania zagadnieñ, których zrozumienie bêdzie kluczowym elementem w pracach nad rozwojem fotoelektrycznej metody LPT i SLPT. Trzeba podkreœliæ, e prowadzone w Zak³adzie badania maj¹ charakter ca³kowicie nowatorski i zapewne nie wyczerpuj¹ wszystkich niejasnoœci, które pojawi³y siê (b¹dÿ pojawi¹ siê) w trakcie prac. Przedstawimy najwa niejsze problemy, jakie wyst¹pi³y podczas badañ.

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 5 Wp³yw mocy œwiat³a padaj¹cego na strukturê na wartoœæ mierzonego napiêcia V FB Na rys. 3a pokazano wyniki pomiarów charakterystyk wyjœciowych z lock-ina u = = f(v G ) dla ró nych mocy P oraz zale noœæ wartoœci napiêcia V FB od tej mocy. Jak widaæ, wraz ze wzrostem mocy œwiat³a P roœnie wartoœæ sygna³u w inwersji oraz akumulacji (jego wartoœæ bezwzglêdna). Wyznaczone napiêcia V FB (punkty przeciêcia siê krzywych z osi¹ u = 0) zmieniaj¹ swoj¹ wartoœæ i im moc P jest wy sza, tym napiêcia te przyjmuj¹ bardziej ujemn¹ wartoœæ. Widaæ to doskonale na rys. 3b, gdzie amplituda zmian V FB w zakresie zmian mocy od 0,12 do 8,3 mw wynosi a 1,168 V. Wartoœæ napiêcia V FB zmierzonego na tej samej strukturze metod¹ charakterystyk C(V) wynosi V FBC(V) = 0,975 V. a) 0.07 P[mW] b) 0.06 8.3 6 5 4 3 2 0.05 1.5 1 0.75 0.52 0.33 0.12 0.2 0.0 Sygna³ u [V] 0.04 0.03 0.02 0.0020 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000-0.0005-0.0010 Napiêcie V FB [V] -0.2-0.4-0.6-0.8 1.168 V 0.01-0.0015-0.0020-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-1.0 0.00-0.01-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 Napiêcie V G [V] Na podstawie wielu prób przeprowadzonych na strukturach wykonanych w ró - nych technologiach i ró ni¹cych siê parametrami konstrukcyjno-materia³owymi nie uda³o siê okreœliæ sposobu okreœlenia wartoœci mocy P, dla której napiêcie zmierzone metod¹ LPT by³oby zbli one do napiêcia V FB otrzymanego metod¹ charakterystyk C(V) i traktowane tu jako punkt odniesienia. Zale noœæ mierzonego napiêcia V FB od d³ugoœci fali œwiat³a Na rys. 4 pokazano wyniki pomiarów charakterystyk wyjœciowych z lock-ina u = f(v G ) dla ró nej d³ugoœci fali promieniowania u ytego w pomiarach. Wynika z niego, e im d³ugoœæ fali jest wiêksza, tym okreœlone napiêcie V FB jest bardziej ujemne. Ró nica miêdzy pomiarem dla 635 i 980 nm wynosi 337 mv Analiza wyników jest utrudniona tak e z innego powodu. Jak ju wspomniano, wartoœæ V FB silnie zale y od mocy œwiat³a P stosowa- -1.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MocP [mw] Rys. 3 a) Charakterystyki u = f(v G ) dla ró nych mocy œwiat³a P (0,12 8,3 mw), b) zale noœæ wyznaczonych napiêæ V FB od mocy P Sygna³ u [V] 0.08 0.04 0.00 V FB = -0.955 V V FB =-0.618V V FB =-0.917V -0.04 D³ugoœc fali 635 nm 830 nm 980 nm -0.08-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0 Napiêcie V G [V] Rys. 4. Charakterystyki u = f(v G ) zmierzone dla ró - nych d³ugoœci fali (635, 830, 980 nm)

6 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. nego do pomiarów. W przypadku tych pomiarów moc œwiat³a = 830 oraz 980 nm wynosi³a 20 mw i w porównaniu z moc¹ œwiat³a = 635 nm (P = 8,3 mw) by³a ponad dwa razy wiêksza. Zatem ró nicê wyników mo na równie t³umaczyæ ró nic¹ mocy tych Ÿróde³ œwiat³a. Obecnie trwaj¹ przygotowania, aby wyposa yæ stanowisko w Ÿród³a œwiat³a o ró nych d³ugoœciach fali o tej samej mocy P. Rozwa any jest te zakup odpowiednich polaryzatorów, umo liwiaj¹cych wiarygodne i skuteczne ustawienie dowolnej wartoœci mocy P. Wp³yw d³ugoœci fali na mierzone wartoœci V FB mo na okreœliæ z ró nicy miêdzy pomiarem dla = 830 i 980 nm (ta sama moc P). Wartoœæ V FB ró ni siê o ok. 40 mv. W trakcie badañ polegaj¹cych na pomiarze charakterystyk u = f(v G ) œwiat³em o ró nej d³ugoœci fali pojawi³o siê nowe zagadnienie, którego sens fizyczny bêdzie musia³ zostaæ wyjaœniony. Z teorii wynika, e sygna³ w akumulacji powinien byæ zdecydowanie mniejszy od wartoœci sygna³u w inwersji. Potwierdza³o siê to dla wszystkich przypadków pomiaru œwiat³em = 635 mw dla ró nych mocy. Jednak kiedy w pomiarach zastosowano œwiat³o o wiêkszej d³ugoœci fali (830 i 980 nm), Sygna³ u [V] 0.06 0.04 0.02 0.00-0.02-0.04-0.06-0.08 du a moc ma³a moc -4.0-3.6-3.2-2.8-2.4-2.0-1.6-1.2-0.8 Napiêcie V G [V] Rys. 5. Charakterystyki u = f(v G ) zmierzone dla d³ugoœci fali = 980 nm o ró nej mocy promieniowania P sytuacja ta uleg³a zmianie. Na rys. 5 pokazano wyniki pomiarów charakterystyk u = = f(v G ) dla d³ugoœci fali = 980 nm o ró - nej mocy P. Moc by³a zmieniana za pomoc¹ przes³ony i nie by³ mo liwy odczyt jej dok³adnej wartoœci, aczkolwiek specyficzne zachowanie siê tych charakterystyk zosta³o zaobserwowane. Jak widaæ na rys. 5, wraz ze wzrostem mocy zmienia siê stosunek sygna³u w akumulacji do sygna³u w inwersji. Pocz¹tkowo, gdy moc by³a ma³a, poziom sygna³u w inwersji by³ wiêkszy od poziomu sygna³u w akumulacji (jego wartoœci bezwzglêdnej). Tendencja ta zaczê³a siê odwracaæ w miarê wzrostu mocy pomiarowej. Zapewne zaobserwowane tutaj zale noœci dadz¹ siê racjonalnie wyt³umaczyæ. Trwaj¹ obliczenia, które byæ mo e pozwol¹ wyjaœniæ mechanizmy fizyczne odpowiedzialne za tego typu zachowanie siê charakterystyk u = f(v G ) dla d³ugoœci fal = 830 i 980 nm. Zani anie mierzonych wartoœci V FB w pomiarach SLPT przy krawêdziach struktury Jest to jeden z najwa niejszych problemów, których rozwi¹zanie bêdzie kluczowym elementem opracowania dok³adnej fotoelektrycznej metody okreœlania napiêcia V FB. Na rys. 6 pokazano przyk³adowy wynik pomiaru wartoœci lokalnych V FB wzd³u przek¹tnej kwadratowej bramki. Kszta³t zale noœci V FB = f(x) charakteryzuje siê wartoœciami najmniejszymi na rogach kwadratowej bramki oraz najwiêkszymi

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 7 w centralnej czêœci bramki. Ten charakterystyczny kopu³owaty kszta³t jest przypisywany nierównomiernemu rozk³adowi naprê eñ panuj¹cych w tlenku pod powierzchni¹ metalowej bramki struktury MOS. Naprê enia te, jak s¹dzimy, s¹ jednym z g³ównych czynników powoduj¹cych takie zachowanie siê wartoœci lokalnych mierzonego parametru w p³aszczyÿnie powierzchni bramki struktury MOS. We wczeœniejszych pracach podano, e kopu³owaty kszta³t maj¹ równie 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Pozycja na strukturze x [mm] takie parametry struktury MOS, jak efektywna kontaktowa ró nica potencja³ów MS oraz bariera potencja³u na granicy bramka dielektryk E BG. Obecnie nie ma mo liwoœci bezpoœredniego pomiaru naprê eñ, dlatego próba skorelowania tych wyników z fotoelektrycznymi pomiarami niektórych parametrów elektrycznych nie mo e jeszcze byæ przeprowadzona. Okreœlenie poprawnoœci wyznaczania wartoœci lokalnych V FB w pobli u krawêdzi bramki Wykonano szczegó³owe badania w celu okreœlenia poprawnoœci wyznaczania wartoœci lokalnych V FB w pobli u krawêdzi bramki. Powodem ich podjêcia by³o zaobserwowanie, e sygna³ u mierzony na rogu czy te na krawêdzi struktury jest zdecydowanie wiêkszy od sygna³u mierzonego na œrodku bramki. Na rys. 7 zestawiono charakterystyki u = f(v G ) dla ró nych pozycji pomiarowych na strukturze oraz (co jest bardzo wa ne) poza ni¹. Pomiar przeprowadzono pocz¹wszy od pozycji 0,5 mm (œrodek bramki) i z krokiem 0,2 mm oddalano siê od œrodka w kierunku œrodka krawêdzi, wychodz¹c poza obszar struktury a do pozycji 0,9 mm poza jej krawê- dzi¹ (plamka ju wtedy œwieci³a na tlenek). Przedstawione wyniki wyraÿnie Napiêcie V FB [V] -0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1.0 153 mv pomiar wzd³u przek¹tnej kwadratowej struktury Rys. 6. Zale noœæ lokalnych wartoœci napiêæ V FB od pozycji pomiaru x na strukturze 0.015 0.0006 Sygna³ u [V] 0.010 0.005 0.000-0.005 poza struktur¹ -0.0004-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 poz. 0.5-0.010 poz. 0.3 poz. 0.1 poz. -0.1 poz. -0.3-0.015 poz. -0.5 poz. -0.7 poz. -0.9-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 Napiêcie V G [V] 0.0004 0.0002 0.0000-0.0002 na strukturze Napiêcie V FB [V] -0.5-0.6-0.7-0.8-0.9 0.5 granica bramki -0.9-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Pozycjanai pozastruktur¹ [mm] 0 Rys. 7. Charakterystyki u = f(v G ) zmierzone na strukturze i poza ni¹ (u góry). Zale noœæ V FB w funkcji po³o- enia plamki na strukturze i poza ni¹ (po prawej)

8 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. wskazuj¹, e nie tylko sygna³ jest wiêkszy (choæ nieznacznie) w miarê zbli ania siê plamki do krawêdzi struktury, lecz tak e jest mierzony bardzo du y sygna³, kiedy plamka oddala siê od krawêdzi bramki. Podczas przeprowadzonych w ten sposób wielu badañ przy u yciu ró nych Ÿróde³ œwiat³a (ró ne wartoœci ) za ka dym razem mo na by³o zaobserwowaæ zdecydowany wzrost sygna³u u, kiedy plamka pada³a poza obszar bramki. St¹d mo na wyci¹gn¹æ wniosek, e o amplitudzie (czyli ró nicy miêdzy najwiêksz¹ a najmniejsz¹ wartoœci¹ V FB w obrêbie ca³ej bramki) zale noœci V FB = f(x), czyli tzw. kapelusza (rys. 6), w pewnym stopniu decyduje pomiar na rogu struktury, dla którego zmierzone wartoœci V FB s¹ zani one. Je eli weÿmie siê tylko pod uwagê te pomiary, dla których plamka œwieci³a na powierzchniê bramki nie wychodz¹c poza ni¹, to wynika z nich, e amplituda kapelusza maleje, ale w dalszym ci¹gu jest widoczny charakterystyczny kszta³t z wartoœciami najwiêkszymi na œrodku i najmniejszymi na rogach kwadratowej bramki. To znowu potwierdza hipotezê, e o tym kszta³cie decyduj¹ naprê enia w tlenku w strukturze MOS. Wp³yw obszaru poza bramk¹ na wartoœæ koñcow¹ zmierzonego napiêcia V FB Z dotychczasowych wyników pomiarów lokalnych wartoœci napiêcia V FB mo na by³o wywnioskowaæ, e istnieje du y wp³yw oœwietlenia tlenku wokó³ bramki na mierzone wartoœci V FB. Wyniki pomiarów przedstawionych na rys. 7 potwierdzi³y te przypuszczenia. W kolejnym etapie badañ próbowano oszacowaæ, jaki jest wp³yw obszaru poza bramk¹ na wartoœæ koñcow¹ zmierzonego napiêcia V FB.Wykonano pomiary napiêcia V FB metod¹ LPT na strukturze (rys. 8). Okaza³o siê, e sygna³ zmierzony dla ma³ej plamki na œrodku struktury (pomiar 1) oraz plamki wiêkszej (porównywalnej z powierzchni¹ bramki pomiar 2) jest bardzo ma³y w porównaniu z wynikiem, jaki uzyskano dla pomiaru 3, gdzie plamka by³a znacznie wiêksza od rozmiarów bramki i œwiat³o dodatkowo oœwietla³o tlenek wokó³ (sygna³ w akumulacji dla V G = 0 dla pomiaru 3 jest 28 razy wiêkszy od sygna³u dla pomiaru 1). Sygna³ 1 stanowi zaledwie 3,5% wartoœci sygna³u 3. Podobnie jest z sygna³em 2, który stanowi jedynie 5,3% 0.010 0.0006 0.0004 Sygna³ u [V] 0.005 0.000 0.0002 0.0000-0.0002-0.0004-0.0006-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 1 2 3-0.005 pomiar 1 pomiar 2 pomiar 3-0.010-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0.0 Napiêcie V G [V] Rys. 8. Pomiar napiêcia V FB dla ró nego oœwietlenia padaj¹cego na strukturê: pomiar 1 ma³a plamka na œrodku struktury; pomiar 2 plamka du a, ale niewykraczaj¹ca poza obrêb struktury; pomiar 3 du a plamka oœwietlaj¹ca obszar wokó³ struktury, zdecydowanie wiêksza ni struktura

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 9 sygna³u 3. Staje siê wiêc oczywiste, e to œwiat³o padaj¹ce bezpoœrednio na tlenek (poza bramk¹) jest przyczyn¹ wzrostu mierzonego sygna³u oraz e wartoœci V FB s¹ wówczas mniejsze (wiêksza jest ich wartoœæ bezwzglêdna). Stanowisko do badañ fotoelektrycznych przedstawione na rys. 2 umo liwia tak e wykonywanie pomiarów oœwietlonych charakterystyk C(V). Wykonano szereg pomiarów na ró nych technologicznie strukturach dla trzech Ÿróde³ œwiat³a o ró nych d³ugoœciach fali = 635, 830 i 980 nm. Na rys. 9 pokazano przyk³adowe wyniki pomiarów charakterystyk C(V) dla = 635 nm. Korzystaj¹c z tych wyników, mo na obliczyæ wartoœæ efektywnego poziomu generacji œwietlnej, definiowanego jako stosunek wygenerowanej liczby noœników n do koncentracji samoistnej n i. W celu porównania wyników pomiarów oœwietlonych charakterystyk C(V) dla ró nych d³ugoœci fal zestawiono na jednym wykresie zale noœci C INW * (pojemnoœæ w inwersji dla stanu oœwietlenia) od wartoœci wspó³czynnika. Dla wszystkich pomiarów obserwuje siê wzrost pojemnoœci w inwersji dla rosn¹cej mocy promieniowania P. Nie zauwa a siê jednak e ró nic, które by wynika³y z zastosowania ró nych d³ugoœci fali tego promieniowania. Jak widaæ na rys. 10, zale noœci C INW * = f() pokrywaj¹ siê. Wspó³czynnik jest bardzo przydatnym parametrem pozwalaj¹cym na obliczanie pewnych parametrów struktur MOS w stanie oœwietlenia. Mo liwoœæ 300 pomiar ciemny 0.5 mw 200 1mV 2mW 3mW 100 4mW 4.8 mw 0-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Napiêcie V G [V] dok³adnego obliczenia zjawisk fizycznych zachodz¹cych w strukturze MOS z ca³¹ pewnoœci¹ przyczyni siê do pe³nego ich zrozumienia. Du a liczba zaprezentowanych wyników pomiarów pokazuje jak wiele pracy nale y jeszcze w³o yæ w rozwój fotoelektrycznej metody pomiaru napiêcia pasm V FB. Z jednej strony brak jest doniesieñ w literaturze, które by³yby pomocne w poznawaniu zjawisk zachodz¹cych w oœwietlonej strukturze MOS, z drugiej zaœ wiadomo, e trzeba bêdzie zweryfikowaæ niektóre informacje, które pochodz¹ z literatury. Zak³ad dysponuje bardzo dobrze wyposa onym stanowiskiem pomiarowym, które umo liwia prowadzenie zaawansowanych pomiarów ró nych parametrów ró nymi technikami. Pojemnoœc C [pf] 600 500 400 P Rys. 9. Charakterystyki C(V) zmierzone dla = 635 nm o ró nej mocy P [pf] Pojemnoœc C INW * 600 500 400 300 200 100 = 635 nm = 830 nm = 980 nm 1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8 Rys. 10. Zale noœæ pojemnoœci C INW * = f() dla trzech ró nych d³ugoœci fali œwiat³a

10 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. Porównanie stanu wiedzy i wyników pomiarów z wynikami równolegle prowadzonych obliczeñ analitycznych pozwoli na pe³ne wykorzystanie mo liwoœci Zak³adu i przyczyni siê do opracowania dok³adnej metody pomiaru napiêcia wyprostowanych pasm V FB. 3.2. Opracowanie analitycznej zale noœci miêdzy wspó³czynnikiem za³amania n a gêstoœci¹ warstw SiO 2 na podstawie serii badañ eksperymentalnych Badaniu zosta³y poddane 24 czterocalowe dwustronnie polerowane p³ytki krzemowe o orientacji <100> i typie przewodnictwa n oraz dodatkowo cztery p³ytki krzemowe o orientacji <111>. P³ytki by³y podzielone na trzy grupy: grupa A: 12 p³ytek o numerach 1 12; grupa B: 12 p³ytek o numerach N1 N12; grupa C: 4 p³ytki N<111> o numerach 1 4. P³ytki z grup A i B by³y poddawane utlenianiu termicznemu w suchym tlenie do gruboœci w zakresie 10 50 nm, a p³ytki z grupy C utlenianiu do gruboœci w zakresie 50 200 nm. Przed utlenianiem termicznym wszystkie p³ytki by³y poddane pomiarom interferometrycznym na urz¹dzeniu do badania krzywizny powierzchni o wysokim wspó³czynniku odbicia metod¹ pierœcieni Newtona (d³ugoœæ fali diody laserowej stosowanej jako Ÿród³o œwiat³a w tym urz¹dzeniu wynosi³a ok. 635 nm). Pomiary mia³y na celu zbadanie jakoœci i kszta³tu powierzchni p³ytek krzemowych. Rozrzut naprê eñ w powierzchniowej warstwie Si, obliczanych dla bardzo zró nicowanych wartoœci promieni krzywizny badanych p³ytek, jest znaczny i waha siê od kilkudziesiêciu do kilkuset MPa w ró nych punktach podk³adu. Z tego wzglêdu przypisanie poszczególnym punktom powierzchni p³ytki pod³o owej wartoœci naprê eñ obliczonych ze wzoru Stoneya jest nieuprawnione w przypadku obecnoœci bramek. Pomiary elipsometrycznie z wykorzystaniem elipsometru spektroskopowego typu VASE (Variable Angle Spectroscopic Ellipsometer) pos³u y³y do wyznaczenia gruboœci i wspó³czynnika za³amania warstw dwutlenku krzemu. Takie pomiary zosta³y przeprowadzone w piêciu punktach dla ka dej p³ytki w szerokim zakresie spektralnym (250 1000 nm) dla dwóch k¹tów padania (65 o,75 o ). Utleniono dwustronnie polerowane czterocalowe p³ytki krzemowe n<100> oraz n<111> i zwa ono je. Nastêpnie wykonano pomiary elipsometryczne utlenionych p³ytek w celu znalezienia wspó³czynników za³amania i gruboœci warstw SiO 2.Po pomiarach interferometrycznych na wszystkich utlenionych p³ytkach krzemowych strawiono doln¹ warstwê tlenku i ponownie wykonano pomiary mas strawionych p³ytek oraz pomiary elipsometryczne. Przeprowadzono te pomiary interferometryczne na czterocalowych utlenionych p³ytkach krzemowych n<100> oraz n<111> po strawieniu dolnej warstwy tlenku w celu znalezienia ró nicy w promieniu krzywizny. Nastêpnie strawiono górn¹ warstwê tlenku z p³ytek, przeprowadzono pomiar

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 11 mas tych p³ytek oraz wykonano pomiary interferometryczne w celu porównania ich stanu po ca³kowitym strawieniu tlenków ze stanem wyjœciowym przed procesem utleniania termicznego krzemu. Model optyczny, wykorzystany do analizy wyników pomiarów elipsometrycznych badanych struktur Si-SiO 2, sk³ada³ siê kolejno z pod³o a krzemowego oraz warstwy SiO 2 okreœlonej wzorem Cauchy ego. Wzór ten dla wspó³czynnika za³amania n wyra a siê odwrotnym szeregiem potêgowym, zawieraj¹cym parzyste potêgi d³ugoœci fali 2 4 n( ) AB/ C /..., (1) gdzie: A, B, C parametry obliczane, d³ugoœæ fali [m]. Na podstawie obliczonych wartoœci objêtoœci i zwa onych mas warstw SiO 2 okreœlano gêstoœæ warstwy tlenku, a nastêpnie porównywano j¹ z wartoœciami gêstoœci warstw SiO 2, uzyskanymi na podstawie wspó³czynników za³amania n, wyznaczonych metod¹ elipsometrii spektroskopowej. Do obliczeñ zastosowano wzór Lorentza-Lorenza (L-L) (rys. 11) dla rzeczywistych wspó³czynników za³amania n: 2 1 1 N 3 n 2 M A 2 n, (2) gdzie: polaryzacja molowa/refrakcja molowa, N A = 6,0210 23 mol 1 liczba Avogadra, polaryzowalnoœæ cz¹steczki, M masa cz¹steczkowa (atomowa), gêstoœæ. Bior¹c dla SiO 2 M = 60,08 g/mol, = 2,2 g/cm 3 (odprê one) i n = 1,46 (odprê- one), uzyskuje siê = 7,4797 cm 3 /mol. Wzór na gêstoœæ warstwy SiO 2 bêdzie mia³ nastêpuj¹c¹ postaæ: 2 n 1 80324,. (3) 2 n 2 Inn¹ zale noœæ gêstoœci warstwy SiO 2 od wspó³czynnika za³amania przedstawia wzór Gladstona-Dale a (G-D): 4, 785n 4, 784. (4) Empiryczny wzór okreœlaj¹cy w funkcji n dla warstwy SiO 2 zosta³ wyznaczony przez Taniguchi ego (Ta). Jest to nastêpuj¹ca zale noœæ: K( n1 ), (5) gdzie: K = 7,81, = 1,63. Poza wymienionymi zale noœciami, w literaturze œwiatowej spotyka siê tak e równanie Eykmana C n 2 1, (6) 2 n 04, gdzie: C = 3,6161 (w temperaturze pokojowej) sta³a empiryczna Eykmana (Eyk), zale na od temperatury, oraz równanie Drude a

3 3 3 12 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. gdzie D = 1,944 sta³a Drude a. Gêstoœæ tlenku [g/cm ] 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 dolna warstwa wg L+L wg G+D wg Ta wg Drude a 2.00 1.4400 1.4800 1.5200 1.5600 1.6000 Wspó³czynnik za³amania tlenku n Rys. 11. Zale noœæ gêstoœci tlenku od jego wspó³czynnika za³amania dla dolnej warstwy dla opisywanego eksperymentu wagowego. Wyniki metody wagowej dla danych z grup A, B (kwadraty) na tle zale noœci (n) wg ró nych wzorów z literatury (pozosta³e symbole) Gêstoœæ tlenku [g/cm ] 4.90 4.50 4.10 3.70 3.30 2.90 2.50 2.10 5.00 25.00 45.00 65.00 85.00 105.00 125.00 Gruboœæ tlenku [nm] Rys. 12. Zale noœæ gêstoœci tlenku od jego gruboœci dla warstwy SiO 2 na pod³o u Si n<100> Gêstoœæ tlenku [g/cm ] gêstoœæ tlenku [g/cm 3 ] 4.90 4.55 4.20 3.85 3.50 3.15 2.80 2.45 2.10 Data: Data1_ro Model: Hill Equation: y=vmax*x^n/(k^n+x^n) Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 0.0349 R^2 = 0.90715 Vmax 4.53091 ±0.03662 k 1.46268 ±0 n 51.81778 ±0 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60 1.62 wspó³czynnik Wspó³czynnik za³amania za³amania tlenku, n tlenku n Rys. 13. Zale noœæ gêstoœci tlenku od jego wspó³czynnika za³amania dla dolnej i górnej warstwy dla wszystkich dotychczas przeprowadzonych eksperymentów wagowych wraz z lini¹ dla modelu Hilla, dopasowuj¹c¹ siê do danych o zadanym 95% poziomie ufnoœci 2 D( n 1 ), (7) Zale noœæ gêstoœci warstwy SiO 2 od wspó³czynnika za³amania dla dolnej warstwy przedstawiono na rys. 11. O prawid³owoœci przeprowadzonych badañ mog¹ œwiadczyæ eksperymentalne punkty pomiarowe tworz¹ce zale noœæ (t ox ), które zilustrowano na rys. 12. Jak widaæ, dla tlenków o gruboœci wiêkszej ni 50 nm obserwowana jest zale noœæ liniowa gêstoœci od gruboœci tlenku, natomiast wraz ze zbli aniem siê wartoœci gruboœci warstwy do granicy Si-SiO 2 mamy do czynienia ze znacznym zwiêkszeniem siê stopnia densyfikacji tlenku. Poni ej pewnej wartoœci gruboœci tlenku (ok. 50 nm) mo na zauwa yæ jak zale noœæ miêdzy gêstoœci¹ tlenku a jego gruboœci¹ przechodzi w krzyw¹ eksponencjaln¹. Na podstawie wyników gêstoœci otrzymanych dla warstw ze wszystkich dotychczasowych eksperymentów wagowych dokonano analizy dopasowywania danych w celu znalezienia odpowiedniej krzywej odzwierciedlaj¹cej w³aœciw¹ zale noœæ gêstoœci tlenku od wspó³czynnika za³amania. Najlepsz¹ krzyw¹ dopasowania do danych z eksperymentu wagowego z kilku zbadanych krzywych (funkcja logarytmiczna z trzema parametrami i przybli enie Langmuira) okaza³a siê funkcja Hilla z trzema zmiennymi parametrami (rys. 13). Dowodem jest to, e R 2 jest wiêkszy od 0,9. Linie przerywane i kropkowane na wykresie przedstawiaj¹ odpowiednio poziomy ufnoœci oraz pasma prognozy wyników (dla poziomu ufnoœci 95%). Poziom ufnoœci stanowi miarê pewnoœci kszta³tu dopasowanej krzywej regresji. 95% poziom ufnoœci mówi nam, e istnieje 95%

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 13 prawdopodobieñstwa, e linia regresji, wyznaczona w oparciu o zaobserwowane dane, bêdzie znajdowa³a siê w obrêbie pasm ufnoœci. Natomiast poziom prognozy przedstawia pomiar pewnego rozproszenia wokó³ wyznaczonej linii regresji (w naszym przypadku liniê tê stanowi przybli enie Hilla). Zatem 95% pasmo prognozy wyznacza obszar, w którym znajduje siê lub bêdzie znajdowaæ co najmniej 95% mierzonych danych. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i uzyskanych wyników sformu³owano nastêpuj¹ce wnioski. Zmierzone masy warstw SiO 2 i obliczone objêtoœci tych warstw pozwoli³y na wyznaczenie stopnia densyfikacji warstw tlenku na pod³o ach krzemowych. Nie dla wszystkich p³ytek uda³o siê otrzymaæ metod¹ wagow¹ poprawn¹ zale noœæ gêstoœci tlenku od jego gruboœci. Potwierdzono doœæ wyraÿn¹ ró nicê miêdzy wyznaczon¹ metod¹ wagow¹ zale - noœci¹ gêstoœci tlenku od gruboœci tlenku dla p³ytek t ox poni ej 50 nm a zale noœciami (n) zaczerpniêtymi z literatury. Najlepsz¹ krzyw¹ dopasowania do danych z eksperymentu wagowego okaza³a siê funkcja Hilla z trzema zmiennymi parametrami (rys. 4). Krzywa logarytmiczna z trzema parametrami, która dawa³a dobre wyniki dopasowania dla poprzednich eksperymentów, po dodaniu coraz wiêkszej liczby danych nie sprosta³a zadaniu. Uzyskany wykres Hilla z trzema parametrami wykazuje nasycenie dla wartoœci gêstoœci równej ok. 4,53 g/cm 3. Otrzymana wartoœæ gêstoœci jest zbli ona, choæ nieco wiêksza od wartoœci jednego z krystalicznych polimorfów dwutlenku krzemu (styszowitu). W literaturze spotykamy siê z nastêpuj¹cymi wartoœciami gêstoœci styszowitu: ok. 4,28; 4,29; 4,35 g/cm 3. Wydaje siê e d¹ enie stopnia densyfikacji do konkretnej maksymalnej wartoœci jest uzasadnione fizycznie. 3.3. Opracowanie nowych metod obliczania charakterystyk sygna³u elektrycznego w badaniach metodami fotoelektrycznymi Opracowano kilka nowych metod obliczania ró nych parametrów zwi¹zanych z fotoelektrycznymi badaniami struktur MOS. Szczególnie interesuj¹ce i przydatne praktycznie s¹ dwie metody. Metoda obliczania toru wi¹zki œwiat³a wprowadzonej do dielektryka przy bocznym oœwietleniu struktury MOS Pomiary fotoelektryczne struktur MOS prowadzono dotychczas wy³¹cznie z wykorzystaniem pionowego oœwietlenia badanych struktur MOS. Przy takim systemie oœwietlenia konieczne jest, aby czêœæ strumienia œwiat³a przenika³a przez bramkê i by³a poch³aniana przez pod³o e pó³przewodnikowe. Dlatego pomiary fotoelektryczne struktur MOS prowadzone s¹ najczêœciej na strukturach z pó³przezroczyst¹ bramk¹. W przypadku struktur z bramk¹ krzemow¹ nie ma praktycznie mo liwoœci

14 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. takiego wykonania tej bramki, aby by³a ona wystarczaj¹co przezroczysta. Dlatego podjêto prace nad innymi sposobami wprowadzania œwiat³a pod bramkê struktury MOS. Pierwszym etapem by³o opracowanie metod obliczania toru strumienia œwiat³a i mocy œwiat³a wydzielaj¹cej siê w bramce oraz w pod³o u przy bocznym oœwietleniu struktury pod ró nymi k¹tami. Promieñ g³ówny wi¹zki padaj¹cej Normalna Promieñ za³amany Substrat (Si) Bramka Tlenek Rys. 14. Schemat wprowadzania wi¹zki laserowej pod bramkê. k¹t padania promienia g³ównego na powierzchniê dielektryka, k¹t za³amania promienia g³ównego w dielektryku. O 90 o A B C D E normalna Bramka SiO 2 Rys. 15. Wprowadzanie wi¹zki pod bramkê w wyniku jej padania na górn¹ powierzchniê tlenku Bramka SiO 2 Si Rys. 16. Wprowadzanie wi¹zki pod bramkê w wyniku jej padania na boczn¹ powierzchniê tlenku Si W rozwi¹zaniu przedstawionym na rys. 14 wi¹zka promieniowania optycznego jest wprowadzana przez górn¹ (zewnêtrzn¹) powierzchniê warstwy dielektryka. W warstwie dielektryka zachodz¹ wielokrotne odbicia (rys. 15). Dla tego rodzaju oœwietlenia wykonano obliczenia zmian natê enia wi¹zki podœwietlaj¹cej w funkcji k¹ta padania oraz liczby odbiæ na granicach warstwy dielektryka pod bramk¹. W tym przypadku wydaje siê, e najkorzystniej jest wprowadziæ wi¹zkê pod k¹tem padania na doln¹ powierzchniê warstwy dielektryka wiêkszym ni 40 o. Praktycznie nie jest to mo - liwe, poniewa k¹t padania na górn¹ (wejœciow¹) powierzchniê dielektryka by³by bliski 90 o, podczas gdy dla uzyskania wysokiej gêstoœci mocy potrzebna jest wi¹zka zogniskowana z walcow¹ diakaustyk¹. G³êbokoœæ wnikania promieniowania pod bramkê dla warunku spadku natê enia do 0,01 jest rzêdu pojedynczego mikrometra i to tylko dla jednej polaryzacji (P). Konfiguracja oœwietlenia przedstawiona na rys. 16 wydaje siê bardziej racjonalna z punktu widzenia g³êbokoœci wnikania promieniowania optycznego w warstwê tlenkow¹. Wymaga jednak dokonania prze³omu warstwy tlenku i krzemu, aby umo liwiæ bieg œwiat³a niemal równoleg³y do powierzchni tlenku. W wyniku kilku zaledwie odbiæ mo na uzyskaæ oœwietlenie ca³ej powierzchni dielektryka pod bramk¹ przy znacz¹cych wartoœciach natê enia wprowadzanego tam promieniowania optycznego. W celu weryfikacji przedstawionych obliczeñ i ich wykorzystania w praktyce przyst¹piono do budowy stanowiska pomiarowego, umo liwiaj¹cego boczne pod-

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 15 œwietlenia bramki struktury MOS. Schemat stanowiska do pomiaru fotopr¹dów struktur MOS przedstawiono na rys. 17. Zwierciadlo Okular mikroskopowy Od lasera Kierunek i zwroty zwierciadla Zwierciadlo Soczewka Dioda Stolik Obiektyw mikroskopowy Styk iglowy Plytka Si ze strukturami MOS Kanal odsysania powietrza spod plytki Si Rys. 17. Schemat stanowiska do pomiarów fotopr¹dów przy bocznym podœwietlaniu bramki. Widoczny jest mikroskop (obiektyw mikroskopowy zwierciad³o okular mikroskopowy) s³u ¹cy do wyboru miejsca naœwietlania na brzegu struktury. Badany obiekt i czêœæ uk³adu pomiaru fotopr¹dów znajduje siê w ekranowanej od wp³ywu pól elektromagnetycznych przestrzeni. Widok urz¹dzenia i jego fragmentów przedstawiono na rys.18aib. Rys. 18 a) Widok ogólny komory zestawu do podœwietlenia bramek struktur MOS, b) umiejscowienie p³ytki w komorze stanowiska Analityczne ujêcie stosunku wydajnoœci fotoemisji elektronów z ró nie domieszkowanych pod³o y pó³przewodnikowych struktur MOS Wydajnoœæ fotoemisji elektronów z pó³przewodnika Y zale y od jego typu i gêstoœci domieszkowania. Ju w koñcu lat piêædziesi¹tych ubieg³ego wieku zauwa ono, e wydajnoœæ fotoemisji elektronów do pró ni Y P z pó³przewodnika typu P jest wiêksza ni analogiczna wydajnoœæ fotoemisji Y N z pó³przewodnika typu N. Równie

16 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. w przypadku fotoemisji wewnêtrznej w strukturach MOS zjawisko to by³o obserwowane, m. in. w naszym laboratorium. Nikt jednak dotychczas nie podj¹³ próby iloœciowego ujêcia tego zjawiska. Próbê tak¹, w postaci odpowiednich wyra eñ analitycznych, podjêto w 2008 r. w Zak³adzie. W tym podrozdziale opisano pokrótce zjawiska fizyczne, które decyduj¹ o zale - noœci wydajnoœci fotoemisji Y od typu i gêstoœci domieszkowania pod³o a pó³przewodnikowego. Scharakteryzowano tak e sposób przeprowadzenia analizy iloœciowej badanych zjawisk i podano wyra enia matematyczne pozwalaj¹ce obliczaæ stosunek R wydajnoœci fotoemisji z dwu ró nie domieszkowanych pod³o y struktur MOS. Pe³ny opis rozumowania prowadz¹cego do tych wyra eñ zawarty jest w czêœci teoretycznej powstaj¹cego artyku³u. Rozumowanie to opiera siê na powszechnie akceptowanym pogl¹dzie, e fotoemisja elektronów, której sprawnoœæ okreœla wydajnoœæ fotoemisji Y, jest wynikiem trzech nastêpuj¹cych kolejno procesów, z których ka dy ma tak e okreœlon¹ sprawnoœæ. S¹ to: wzbudzenie elektronów do energii przewy szaj¹cych wysokoœæ bariery potencja- ³u o sprawnoœci G, transport wzbudzonych elektronów do powierzchni emitera o sprawnoœci T, proces pokonywania bariery przez wzbudzone elektrony, które dotar³y do powierzchni emitera o sprawnoœci B. Przy odpowiednim doborze sprawnoœci G, T i B wydajnoœæ fotoemisji Y mo na wyraziæ jako ich iloczyn. Y GT B. (8) Rozwa aj¹c wydajnoœæ fotoemisji z dwu ró nie domieszkowanych pod³o y pó³przewodnikowych zak³adamy, e sprawnoœæ wzbudzania G jest jednakowa w obu przypadkach. Ró ne wartoœci wydajnoœci Y wynikaj¹ zatem z ró nych wartoœci T i B dla ró nie domieszkowanych pod³o y. Stosunek R wydajnoœci Y P fotoemisji z pod³o a typu P do wydajnoœci Y N fotoemisji z pod³o a typu N dany jest wiêc przez: R R R, (9) T B gdzie: T B P P R, R. (10) T B T B N N Indeksy P i N odnosz¹ siê do poszczególnych funkcji okreœlonych dla pod³o y typu P i N. Rysunek 19 pokazuje jak ró ne jest wygiêcie pasm energetycznych przy powierzchni pod³o a krzemowego struktury MOS w przypadku, gdy pod³o e to jest typu P + (N A = =210 18 cm 3 ) i w przypadku, gdy pod³o e jest typu N + (N D =210 18 cm 3 ), a potencja³ bramki jest w obu przypadkach dodatni. Wartoœæ efektywnej kontaktowej ró nicy potencja³ów jest ró na w obu przypadkach i wynosi dla pod³o a P + MS (P) = 0,96 V, a dla pod³o a N + MS (N) = 0,03 V. Potencja³ bramki w obu przypadkach V G =9V.

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 17 P [V] 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4 a) -0.6 0 10 20 30 40 x[nm] E C E i F =0.496 V E F EV S =0.518 V N [V] 1.2 b) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 F = - 0.496 V S =0.078 V 0 10 20 30 40 x[nm] E C E F E i E V Rys. 19. Wygiêcie pasm energetycznych w pod³o ach P + i N +. Gêstoœæ domieszkowania N A = N D =210 18 cm 3, gruboœæ warstwy SiO 2 w strukturach Al-SiO 2 -Si t ox = 60 nm, gêstoœæ ³adunku efektywnego w warstwie SiO 2 Q eff /q =210 11 cm 2 D¹ ¹c do okreœlenia funkcji analitycznej, która pozwoli iloœciowo okreœliæ stosunek R T wg wzoru (10), nale y najpierw klasycznymi metodami numerycznymi obliczyæ rozk³ad potencja³ów w funkcji odleg³oœci od powierzchni pó³przewodnika x zarówno dla pod³o a typu P( P (x)), jak i dla pod³o a typu N( N (x)). Okreœlone w ten sposób rozk³ady mo na bardzo dok³adnie przybli yæ funkcjami analitycznymi f P (x) i f N (x), które nastêpnie umo liwiaj¹ okreœlenie rozk³adu pola elektrycznego F(x) dla obu typów pod³o y jako: df Fx ( ). (11) dx Na rys. 20 pokazano obliczone w ten sposób rozk³ady pól elektrycznych F P (x) i F N (x) dla tych samych struktur MOS, które okreœla rys. 19. rozk³ad intensywnoœci strumienia œwiat³a 6x10 5 w funkcji odleg³oœci x od powierzchni 5x10 pó³przewodnika oraz g³êbokoœæ ucieczki 5 (escape depth) wzbudzonych elektronów 4x10 5 x esc, zak³adaj¹c arbitralnie, e w tym 3x10 5 przypadku x esc = 3 nm. Œrednia wartoœæ 2x10 5 pola elektrycznego w obszarze od x =0do 1x10 x = x esc, które to pole przyspiesza fotoelektrony ku powierzchni krzemu, jest 5 0 znacznie wiêksza w przypadku pod³o a P + ni w przypadku pod³o a N +. Fakt ten jest powodem, dla którego sprawnoœæ transportu T jest wiêksza w przypadku pod³o a krzemowego P + ni pod³o a N +. Zaznaczono tak e 0.0 2.0x10-7 4.0x10-7 6.0x10-7 8.0x10-7 1.0x10-6 x[cm] Uwzglêdniaj¹c wszystkie rozk³ady i wartoœci parametrów, których znaczenie wyjaœnia rys. 20, mo na wykazaæ, e wartoœæ stosunku R T wyra a siê jako: F(x) [V/cm], i(x) [a.u.] x esc =3 nm F N (x), N-type, (accumulation) F P (x), P-Type, (depletion) i(x), (light penetration) Rys. 20. Rozk³ady pól elektrycznych F P (x) if N (x) obliczone dla struktur MOS, dla których rozk³ad potencja³ów pokazano na rys. 19.

18 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. Dielektryk Dielectric R T T T 0 10 20 30 40 x E B B P N xesc 0 xesc 0 x F ( x) e dx P x F ( x) e dx N, (12) gdzie jest wspó³czynnikiem absorpcji optycznej pod³o a krzemowego (za³o ono, e ma tak¹ sam¹ wartoœæ dla pod³o a P + jak dla pod³o a N + ). Wzór (12) pozwala okreœliæ wartoœæ R T, jeœli znane s¹ rozk³ady pól F P (x)if N (x), wartoœæ i wartoœæ x esc. Analizuj¹c sprawnoœæ pokonywania bariery okreœlon¹ przez funkcje B P i B N, mo na zauwa yæ, e elektrony wzbudzone w warstwie pod³o a, w odleg³oœci x od jego powierzchni, musz¹ pokonaæ barierê E B, która jest ni sza o E B (x) od bariery, jak¹ musz¹ pokonaæ elektrony wzbudzone przy powierzchni pod³o a (rys. 21). Na podstawie analizy rozk³adów i wartoœci parametrów, których znaczenie ilustruj¹ rys. 19 i 21, mo na wykazaæ, e wartoœæ stosunku R B wyra a siê jako: R Semiconductor Pó³przewodnik B B B P N x x [nm] xesc x [ 1/ 2 hv E kv E x 3 e dx BP I BP 0. esc [ hv E 1/ 2 kv E 3 x ( x)] e dx x 0 E C E C E V V Rys. 21. Uk³ad pasm energetycznych w pobli u powierzchni granicznej dielektryk-pó³przewodnik BN I BN Znaj¹c wartoœæ stosunków R T i R B, mo na ze wzoru (9) obliczyæ wartoœæ stosunku R. Wartoœci R T, R B i R obliczone dla struktur, których uk³ady pasm energetycznych i rozk³ady pól elektrycznych przedstawiono na rys. 19 i 20, podano w tab. 1 w funkcji ' potencja³uv G przy za³o eniu x esc = 3 nm. V G ' Tabela 1. Wyniki obliczeñ stosunku R w funkcji potencja³u V G ' [V] 2,5 5 7,5 10 12,5 15 R T 1,4152 1,7498 2,0192 2,2469 2,4510 2,5700 R B 1,1021 1,0937 1,1019 1,1153 1,1311 1,1434 R 1,5596 1,9138 2,2250 2,5060 2,7723 2,9385 ' Potencja³V G jest to potencja³ bramki V G, skorygowany o wartoœæ zerowego spadku napiêcia na dielektryku V GO, która jest inna dla pod³o a typu P(V GOP ) ni dla pod³o a (13)

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 19 typu N(V GON ). Zatem dla pod³o a typu P ' V V V, a dla pod³o a typu N G G GOP ' V V V. G G GON Z równ. (12) i (13) wynika, e stosunek R jest funkcj¹ g³êbokoœci ucieczki x esc. Wartoœæ x esc jest najczêœciej nieznana a priori, dlatego zale noœci R od potencja³u ' V G obliczono dla kilku wartoœci x esc. Wyniki tych obliczeñ dla struktur, których dotycz¹ rys. 19 i 20, przedstawiono na rys. 22. Charakterystyki analogiczne do pokazanych na tym rysunku mo na obliczyæ dla dowolnych struktur MOS badanych eksperymentalnie. Porównanie zmierzonych wartoœci R z takimi charakterystykami pozwala na okreœlenie wartoœci x esc charakterystycznej dla badanych struktur. R R 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 x esc =5 nm 1 1.5 0.5 0.2 1.0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 VG' [V] V G ' Rys. 22. Zale noœæ wspó³czynnika R od potencja³uv G 4 3 2 Publikacje 2008 [P1] BOROWICZ P., NICKEL B.: The Joined Action of Triplet-Triplet Annihilation and First Order Decay of Molecules in the T1 State in the Case of Non-Dominant First Order Process. Part 1. The Kinetic Model in the Case of Spatially Homogeneous Excitation. Opto-Electron. Rev. (w druku). [P2] BOROWICZ P., NICKEL B.: The Joined Action of Triplet-Triplet Annihilation and First Order Decay of Molecules in the T1 State in the Case of Non-Dominant First Order Process. Part 2. The Kinetic Model in the Case of Spatially Homogeneous Excitation. Opto-Electron. Rev. (w druku). [P3] BOROWICZ P., NICKEL B.: The Joined Action of Triplet-Triplet Annihilation and First Order Decay of Molecules in the T1 State in the Case of Non-Dominant First Order Process. Part 1. The Kinetic Model in the Case of Spatially Homogeneous Excitation. J. Phys. Chem. C (w druku). [P4] BOROWICZ L., RZODKIEWICZ W., BOROWICZ P., KULIK M.: Badania w³aœciwoœci fizycznych warstwy SiO 2 pod bramk¹ aluminiow¹. Elektronika 2008 nr 11 s. 29 32. [P5] BOROWICZ L., RZODKIEWICZ W., BOROWICZ P., KULIK M.: Badania w³aœciwoœci fizycznych warstwy SiO 2 pod bramk¹ aluminiow¹. Mat. konf. VII Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Dar³ówko, 2 4.06.2008, s. 13 18. [P6] BORYSIEWICZ M., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., KWIETNIEWSKI N., PASTERNAK I., KRUSZKA R., GUZIEWICZ M., RZODKIEWICZ W., DI FORTE-POISSON M.-A., DELAGE S., LAHRECHE H., DYNOWSKA E.: Surface Passivation of AlGaN/GaN Heterostructures Using ZnO-Based Dielectrics and Its Application to HEMTs. Proc. of the 17th Int. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON 2008 (MIKON08). Wroc³aw, 19 21.05.2008, vol. 3. [P7] CZAJKA B., WACHOWSKI L., PIETROWSKI M., APIÑSKI A., RZODKIEWICZ W.: Surface Modification of Iron Power as a Component of High Caloric Mixture. Int. J. Energetic Mater. 2008 vol. 5 nr 3 4 s. 87 102. [P8] GUTT T.: Characterization of MOS Structures with Multilayer High-k Insulator. Elektronika 2008 nr 1 s. 56 58.

20 Sprawozdanie z dzia³alnoœci ITE w 2008 r. [P9] GUTT T.: Correlation of Interface Trap Characteristics in SiC:SiO 2 with the Equivalent Circuit Parameters of a MOS Capacitor. Proc. of the 31st Int. Convention MIPRO - Conf. on Micro-Electronics, Electronics, and Electronic Technologies (MEET). Opatija, Chorwacja, 26 30.05.2008 (w druku). [P10] GUTT T., PRZEW OCKI H. M.: Wp³yw warunków utleniania termicznego i wygrzewania pometalizacyjnego na wystêpowanie pu³apek brzegowych w SiC:SiO 2. Mat. konf. VII Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Dar³ówko, 2 4.06.2008, s. 117 122. [P11] GUTT T., PRZEW OCKI H. M.: Wp³yw warunków utleniania termicznego i wygrzewania pometalizacyjnego na wystêpowanie pu³apek brzegowych w SiC:SiO 2. Materia³y specjalnej sesji konferencyjnej poœwiêconej Projektowi Badawczemu Zamawianemu PBZ-MEiN-6/2/2006 "Nowe technologie na bazie wêglika krzemu i ich zastosowania w elektronice wielkich czêstotliwoœci, du ych mocy i wysokich temperatur". VI Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Warszawa, 2008, s. 121 126. [P12] KRZY ANOWSKA H., KULIK M., UK J., RZODKIEWICZ W., KOBZEV A. P., SKORUPA W.: Optical Investigations of Germanium Nanoclusters-Rich SiO 2 Layers Produced by Ion Beam Synthesis. J. of Non-Crystalline Sol. (w druku). [P13] KRZY ANOWSKA H., UK J., FELIKS J., KULIK M., RZODKIEWICZ W.: Optical Constants for Low Ion Fluence Implanted GaAs Determined by Differential Reflectance and Spectroscopic Ellipsometry. Vacuum (w druku). [P14] KULIK M., RZODKIEWICZ W., UK J., KRZY ANOWSKA H., KOBZEV A. P., SKORUPA W.: Dielectric Function of Doubly Implanted Ge + -Implanted and Annealed SiO 2 Layers. Vacuum (w druku). [P15] KULIK M., RZODKIEWICZ W., UK J., M CZKA M.: Optical Parameters Changes of In + -Implanted and Annealed GaAs: Spectroscopic Ellipsometry Study. Vacuum (w druku). [P16] KULIK M., UK J., RZODKIEWICZ W., PYSZNIAK K., DRODZIEL A., TUREK W., PRUCNAL S., SOCHACKI M., SZMIDT J.: Badania optyczne politypów 6H-SiC oraz 15R-SiC poddanych wielokrotnej implantacji jonami glinu w podwy szonej temperaturze. Elektronika 2008 nr 7 8 s. 15 18. [P17] PISKORSKI K.: Photoelectric Methods to Determine Distributions of Parameter Values Over the Gate Area of MOS Devices. Proc. of the 38th Europ. Solid State Device Research Conf. ESSDERC and 34th Europ. Solid State Circuits Conf. ESSCIRC. Edynburg, Wielka Brytania, 15 19.09.2008. IEEE, 2008, s. 23 25 CD-ROM. [P18] PISKORSKI K., PRZEW OCKI H. M.: Badanie rozk³adów przestrzennych napiêcia wyprostowanych pasm w pó³przewodniku U FB w strukturach MOS. Elektronika 2008 nr 11 s. 32 35. [P19] PISKORSKI K., PRZEW OCKI H. M.: Opracowanie fotoelektrycznej metody LPT pomiaru napiêcia wyprostowanych pasm U FB w pó³przewodniku. Elektronika 2008 nr 1 s. 59 63. [P20] PISKORSKI K., PRZEW OCKI H. M.: Distribution of Local Values of Flat-Band Voltage in Al-SiO 2 -Si Structures. Proc. of the 31st Int. Convention MIPRO - Conf. on Micro-Electronics, Electronics, and Electronic Technologies (MEET). Opatija, Chorwacja, 26 30.05.2008, IEEE, 2008, s. 51 55. [P21] PISKORSKI K., PRZEW OCKI H. M.: Badanie rozk³adów przestrzennych napiêcia wyprostowanych pasm w pó³przewodniku U FB w strukturach MOS. Mat. konf. VII Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Dar³ówko, 2 4.06.2008, s. 19 24. [P22] PISKORSKI K., PRZEW OCKI H. M.: Investigation of Flat-Band Voltage Distributions Over the Gate Area of AlSiO 2 -Si Structures. phys. stat. sol. A (w druku). [P23] RZODKIEWICZ W., BOROWICZ L., BOROWICZ P., GUZIEWICZ M., KULIK M.: Studies of Physical Properties of MIS Structures with Aluminium Gate. J. Optics A: Pure a. Appl. Optics (w druku).

Zak³ad Charakteryzacji Struktur Nanoelektronicznych 21 [P24] RZODKIEWICZ W., KULIK M.: Spectroscopic Ellipsometry Studies of Optical Parameters Changes of Indium-Implanted and Annealed GaAs Substrates. Proc. of the 16th Woollam Ellipsometry Sem. (WES_16). Darmstadt, Niemcy, 23 24.10.2008 (w druku). [P25] YASTRUBCHAK O., DOMAGA A J., SADOWSKI J., KULIK M., UK J., RZODKIEWICZ W., SZYMCZAK R., WOSIÑSKI T.: Modification of the Magnetic, Structural and Optical Properties of (Ga, Mn) as Epitaxial Films by Ion Implantation. Vacuum (w druku). Konferencje 2008 [K1] BARAÑSKA A., PAPIS E., SZERLING A., KARBOWNIK P., WÓJCIK-JEDLIÑSKA A., KOSIEL K., KUBACKA-TRACZYK J., BUGAJSKI M., RZODKIEWICZ W., WAWRO A., SZADE J.: Complementary Study pf (100) GaAs Surface Ion Etching Treatment for Application in Quantum Cascade Lasers. Semiconductor Laser Workshop (SELAWO08). Kazimierz Dolny, 1 2.12.2008 (kom.). [K2] BOROWICZ L., RZODKIEWICZ W., BOROWICZ P., KULIK M.: Badania w³aœciwoœci fizycznych warstwy SiO 2 pod bramk¹ aluminiow¹. VII Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Dar³ówko, 2 4.06.2008 (plakat). [K3] BORYSIEWICZ M., KAMIÑSKA E., PIOTROWSKA A., KWIETNIEWSKI N., PASTERNAK I., KRUSZKA R., GUZIEWICZ M., RZODKIEWICZ W., DI FORTE-POISSON M.-A., DELAGE S., LAHRECHE H., DYNOWSKA E.: Surface Passivation of AlGaN/GaN Heterostructures Using ZnO-Based Dielectrics and Its Application to HEMTs. 17th Int. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Communications MIKON 2008 (MIKON08). Wroc³aw, 19 21.05.2008 (ref. zapr.). [K4] CZAJKA B., LECH D., APIÑSKI A., PIETROWSKI M., WACHOWSKI L., RZODKIEWICZ W.: Metody badania warstw powierzchniowych proszków elaza stosowanych w mieszaninach wysokoenergetycznych. V Miêdzyn. Konf. Nauk. IPOEX 2008 (IPOEX08). Ustroñ-Jaszowiec, 10 12.06.2008 (ref.). [K5] CZAJKA B., WACHOWSKI L., PIETROWSKI M., APIÑSKI A., RZODKIEWICZ W.: Zastosowanie metod spektroskopowych do badania elaza o wysokim stopniu zdyspergowania jako sk³adnika mieszaniny wysokoenergetycznej. Ogólnopol. Symp. "Nauka i przemys³ metody spektroskopowe w praktyce" (OSNPMSP). Lublin, 18 20.06.2008 (ref.). [K6] GUTT T.: Correlation of Interface Trap Characteristics in SiC:SiO 2 with the Equivalent Circuit Parameters of a MOS Capacitor. 31st Int. Convention MIPRO - Conf. on Micro-Electronics, Electronics, and Electronic Technologies (MEET). Opatija, Chorwacja, 26 30.05.2008 (ref.). [K7] GUTT T., PRZEW OCKI H. M.: Wp³yw warunków utleniania termicznego i wygrzewania pometalizacyjnego na wystêpowanie pu³apek brzegowych w SiC:SiO 2. VII Kraj. Konf. Elektroniki (KKE2008). Dar³ówko, 2 4.06.2008 (ref. zapr.). [K8] KARBOWNIK P., BARAÑSKA A., SZERLING A., PAPIS E., WÓJCIK-JEDLIÑSKA A., KOSIEL K., KUBACKA-TRACZYK J., BUGAJSKI M., RZODKIEWICZ W., WAWRO A., SZADE J.: Improvement of n-type Ohmic Contact Resistance for GaAs/AlGaAs Quantum Cascade Lasers by Optimisation of Surface Pretreatment. Semiconductor Laser Workshop (SELAWO08). Kazimierz Dolny, 1 2.12.2008 (kom.). [K9] KRZY ANOWSKA H., KULIK M., UK J., RZODKIEWICZ W., KOBZEV A. P., SKORUPA W.: Optical Investigations of Germanium Nanoclusters-Rich SiO 2 Layers Produced by Ion Beam Synthesis. 5th Int. Conf. on Functional and Nanostructured Materials (ICFNM5). Lwów, Ukraina, 31.08 6.09.2008 (ref.). [K10] KRZY ANOWSKA H., UK J., FELIKS J., KULIK M., RZODKIEWICZ W.: Optical Constants for Low Ion Fluence Implanted GaAs Determined by Differential Reflectance and Spectroscopic