Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – Твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" Міністерства освіти і науки України, Київ, 2021.
Дисертація присвячена розробці фізичних засад вибору діелектрика для МДН-структур з певною напівпровідниковою підкладкою та дослідженню плівок діоксиду церію як альтернативи плівкам діоксиду кремнію.
Проаналізовано вплив діелектрика на електрофізичні параметри МДН-транзистора з індукованим каналом. Показано, що майже всі параметри і характеристики транзистора залежать від властивостей діелектрика. Використання діелектрика з підвищеною діелектричною проникністю (high-k діелектрика), замість класичного діоксиду кремнію, дозволяє уникнути тунельний струму через діелектрик за рахунок збільшення товщини плівки, а також підвищити наругу пробою МДН-структури. Показано також, що існуючі критерії вибору діелектрика розроблені виключно для кремнієвої підкладки, не враховують вплив межі діелектрик-напівпровідник, а результат вибору за цими критеріями є неоднозначним.
На характеристики МДН-приладу впливає не тільки діелектрична проникність діелектрика, а й щільність ефективного заряду в діелектрику, до якого відносяться: заряд рухливих іонів, заряд захоплений на рівнях пасток в діелектрику, фіксований заряд в діелектрику та поверхневий захоплений заряд. Перші два приводять до нестабільності характеристик приладу, але можуть бути усунені покращенням технологічного процесу. Останні два обумовлені наявністю обірваних міжатомних зв’язків в діелектрику та на його межі з напівпровідником, і для конкретної напівпровідникової підкладки залежать тільки від параметрів діелектрика. Саме тому мінімізація щільності цих двох зарядів обрана при розробці критерію вибору діелектрика для МДН-структур.
Розроблено загальний критерій вибору діелектрика, в основу якого покладена мінімальна різниця щільності обірваних зв’язків на межі діелектрик-вакуум та на межі напівпровідник-вакуум. Для визначення кількості обірваних зв’язків на межі кристал-вакуум, виникла потреба побудови моделі цієї межі. Останнє виявилось неможливим в межах класичного (вузлового) методу опису кристалічної решітки. Тому було розроблено альтернативний метод опису кристалічної решітки – міжвузловий аспект, який фізично і математично не суперечить класичному аспекту. Виходячи з феноменології міжвузлового аспекту, в першому наближені, щільність обірваних зв’язків на межі кристал-вакуум обернено пропорційна площі примітивної петлі плоскої сітки на цій межі. В загальному випадку, визначити цю площу складно (через велику кількість можливих орієнтацій підкладки), або майже не можливо (через аморфність діелектричної плівки). Тому, для узагальнення запропонованого критерію, введено універсальний параметр – середня довжина зв’язку, який характеризує усереднену відстань між складовими кристалічної речовини. За цих умов, площа петлі плоскої сітки на поверхні кристалу розраховується як квадрат середньої довжини зв’язку. Для підтвердження прийнятності використання цього параметру встановлено взаємозв’язок між ним та роботою виходу електрона з кристалу.
Розрахунок різниці щільності обірваних зв’язків на межах діелектрик-вакуум та напівпровідник-вакуум показав, що для кремнієвої підкладки, з ряду діелектриків претендентів, відповідно до розробленого критерію, найбільш підходящими є Dy2O3, CeO2 і La2O3. Для проведення експерименту обрано діоксид церію. Аналіз методів отримання плівок діоксиду церію на кремнієвій підкладці показав, що незалежно від методу вони мають структуру нанокристалів CeO2 в аморфній фазі Ce2O3. Для підтвердження ефективності використання діоксиду церію в МДН-структурах, було виготовлено структури алюміній-діоксид церію-кремній двома методами – методом оксидування металевого дзеркала та методом спалаху. Якість межі діоксид церію-кремній оцінювалась за щільністю заряду на її межі. В роботі запропонована спрощена методика визначення щільності зарядів на межі діелектрик-напівпровідник за експериментальними вольт-фарадними характеристиками МДН-структур. Показано, що щільність ефективного заряду на межі діоксид церію-кремній не більше ніж на межі діоксид кремнію-кремній. Таким чином, заміна діоксиду кремнію на діоксид церію, дозволяє забезпечити зменшення тунельних струмів через діелектрик і не погіршує якості межі діелектрик-кремній.
