Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 61
Текст из файла (страница 61)
боте [18). Некоторые из них (для типичных значений толщины ЯО,) приведены на рис. 10. Отметим, что в структурах с более тонким слоем ЯО, наблюдается более сильная зависимость емкости от напряжения, На рис. 11 приведены зависимости поверхностного потенциала от напряжения в тех же МДП-структурах. Графики на рис, 12 — 14 показывают зависимость характерных значений С вЂ” У-характеристик (С~на Смяв Сри), нормированных на величину емкости диэлектрика, а также У„ и 7г от параметров МДП-структуры, Кривые, приведенные на рис. 10 и 11, рассчитаны для МДП-структур с полупроводником р-типа.
Их можно использовать и для анализа характеристик МДП-структур на п-подложке, Для этого нужно поменять знак на оси напряжений на рис. 10 и 11. Данные кривые можно использовать н для анализа характеристик МДП-структур с другими диэлектриками (а не только с диэлектриком 81О,), при этом следует воспользоваться выра- жением Е1 (810,) с с е~ (дивлектрика) > (31) где с1; — действительная толщина диэлектрического слоя, а д,— эффективная толщина, служащая параметром для графиков рис.
10 и 11 (е; — диэлектрическая проницаемость этого изолятора, а е (ЯО,) = 3,5-10-1» Ф см-'), С помощью формул (26 — 29) аналс)- 394 Глава 7 Рис. 15. Классификация зарядов, присутствующих в термически окисленном кремнии 1191. гичные кривые можно рассчитать и для МДП-структур на других полупроводниковых материалах. Приведенные на рис. 10 — 14 зависимости идеальных МДП- структур в последующих разделах использованы для сравнения с экспериментальными результатами и для анализа характеристик реальных МДП-конденсаторов.
7.3. з1 — з10,-~1оп-стРУКтуРы Из всех МДП-структур наиболее важными являются структуры металл — ЯЮ,— Я (МОП). Однако природа различных электро- физических процессов, происходящих на границе раздела Я вЂ” ЯЮ„ в настоящее время еще не получила достаточно полного объяснения. Многие исследователи 171 считают, что границу раздела Я вЂ” 810,, возникающую при термическом окислении кремния, следует рассматривать как некоторый переходный слой с переменным химическим составом.
Предполагается, что на границе монокристаллического кремния находится моноатомный слой нестехиометрического ЯЮ,. (1 < х С 2; стехиометрической двуокиси кремния соответствует х = 2), представляющий собой не полностью окисленный кремний. Затем следует промежуточный слой ЯО, с большими внутренними механическими напряжениями толщиной 1Π— 40 А, который переходит в обычный ненапряженный стехиометрический аморфный ЯЮ,.
Отличие характеристик реальных МОД-стпуктур от соответствующих зависимостей идеадьщ~д МДП-структуры, Проборы с варядовоо связью 395 (32) 7.3.1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками Поверхностные состояния изучали Тамм [20), Шокли [21) и многие другие авторы [7). Основная причина возникновения этих состояний в запрещенной зоне полупроводника заключается в том, что сама граница раздела является нарушением пространственной периодичности кристаллической решетки. Первое экспериментальное доказательство существования поверхностного МДП-конденсаторов обусловлено существованием поверхностных ловушек и зарядов в окисле. В настоящее время принята следующая классификация этих зарядов и ловушек [19) (рис.
15): 1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками Яд, представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Ы вЂ” $1О, и энергия которых лежит в глубине запрещенной зоны полупроводника. Эти поверхностные состояния, называемые также быстрыми (а иногда пограничными), могут достаточно быстро перезаряжаться, обмениваясь электронами (дырками) с кремнием. Поверхностные состояния, вероятно, обусловлены избыточными атомами кремния (трехвалентным кремнием), избыточным кислородом или примесными атомами.
2. Фиксированный заряд окисла ф», расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от нее. Величина этого заряда остается практически постоянной во всей области электрических полей, характерных для рабочего диапазона напряжений на МОП-структурах. 3. Заряд, захваченный в окисле Я„. Этот заряд возникает, например, при рентгеновском облучении структур или инжекции горячих электронов в диэлектрик.
Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены 'по толщине слоя окисла. 4. Заряд подвижных ионов Я,„(например, ионов натрия), который может перемещаться в слое окисла при стрессовых термополевых нагрузках МДП-структур. Величину всех этих зарядов обычно относят к единице площади границы раздела, т. е.
измеряют в единицах Кл см-'. Вместо 9~ часто используют соответствующие поверхностные плотности, которые обозначают символом У; с теми же индексами (У; = = — Я/д — число зарядов на 1 см'). Поскольку энергетические уровни состояний, захватывающих поверхностный заряд Яд, непрерывно распределены в запрещенной зоне полупроводника, полезной характеристикой является энергетическая плотность поверхностных состояний Оы — — — — [число зарядов(см' эВ). 1 Мг Глава 7 захваченного заряда Яп получили Шокли и Пирсон 122) при измерении поверхностной проводимости. Измерения на чистых поверхностях, полученных сколом в сверхвысоком вакууме [23), показывают, что в этом случае плотность ф~ чрезвычайно велика: порядка числа атомов на свободной поверхности кристалла ( 10" атом/см').
В современных МОП-структурах, получаемых термическим окислением кремния, подавляющая часть поверхностного заряда (~д нейтрализуется в процессе низкотемпературного (450'С) отжига в атмосфере водорода. В лучших образцах величина Фп не превышает 10" см-', что соответствует одному захваченному заряду на каждые 10' атомов границы раздела. Поверхностные состояния считаются донорными, если, отдавая электрон, они становятся нейтральными или положительно заряженными. Акцепторными называют поверхностные состояния, которые становятся нейтральными или отрицательно заряженными, захватывая электрон.
Заполнение поверхностных состояний, так же как и объемных (гл. 1), определяется распределениями Ферми Гт(Ес) = 1+ — ехр (33б) для донорных поверхностных ловушек и 1 ЯА( 1) в р 1+ — ехр ~ а ~ ит для акцепторных поверхностных ловушек. Здесь Е~ — энергия поверхностного состояния, а д — фактор вырождения, равный 2 для донорных и 4 для акцепторных поверхностных состояний. При изменениях приложенного к МДП-структуре напряжения положение энергетических уровней поверхностных ловушек изменяется, следуя за смещением краев разрешенных зон полупроводника на границе раздела, в то время как положение уровня Ферми остается неизменным.
В результате происходит изменение зарядового состояния этих ловушек (в первом приближении можно считать, что оно происходит, когда энергетический уровень ловушки пересекает уровень Ферми), Изменение поверхностного связанного заряда дает дополнительный вклад в дифференциальную емкость МОП-структуры, в результате чего вольт-фарадная характеристика последней отличается от С вЂ” $'-зависимости идеальной МДП-структуры.
Эквивалентная электрическая схема МОП-структуры 124 1, учитывающая влияние поверхностных состояний, показана на рис. 16, а. На этом рисунке С; и Сп — емкости изолятора и обедненного слоя полупроводника соответственно, идентичные соответствующим емкостям, показанным на вставке внизу МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 397 Рис. 1б. Эквивалентные электрические схемы, учитывающие влияние поверхностных состояний, С; и 1тв связаны с плотностью поверхностных состояний Вп 1241.
слева на рис. 9. Эквивалентные емкость С, и сопротивление Я, зависят от поверхностного потенциала и описывают перезарядку поверхностных состояний. Произведение С,Я, определяет время релаксации заполнения поверхностных ловушек и частотную зависимость процесса перезарядки поверхностных состояний. Параллельные ветви электрической схемы на рис. 16, а можно представить (рис. 16, б) в виде зависящей от частоты эквивалентной емкости С, + включенной параллельно с эквивалентной проводимостью О~ Саол (35) то 1 + взята где т = СЯ,. Активная и реактивная составляющие полной комплексной проводимости эквивалентных схем, приведенных на рис. 16: .1'! и = 61а+ 1юС1а, (36) определяются выражениями в2С тс2 б~„— (С + С + С )2+ оРта(С.
+ С )2' (36б) Емкостные методы. Для определения величины заряда, захва- ченного на поверхностные ловушки, можно использовать измере- Глава 7 398 Расляжл га счепт лаФе,ахи састак~и Рис. 17. Вытягивание С вЂ” $'-кривых ва счет поверхностных состояний. ния входной емкости МДП-структуры и измерения ее входной проводимости, поскольку формулы (Зба) и (Збб) в принципе содержат одинаковую информацию о поверхностных состояниях.
Ниже показано, что метод проводимости обеспечивает несколько более высокую точность определения плотности поверхностных состояний. Это оказывается особенно важным при исследовании МОП- структур с относительно малой (-10" см-'. эВ-') плотностью поверхностных состояний. Преимущество емкостных методов состоит в том, что с их помощью можно сравнительно легко определять сдвиг напряжения плоских зон и величину полного захваченного заряда Яц (интегральную плотность поверхностных состояний). На рис. 17 проиллюстрировано вытягивание (уширение) С вЂ” Р-характеристики МОП-структуры за счет поверхностного захваченного заряда. При высоких частотах (отт )~ 1) заряд на поверхностных состояниях не успевает следовать за изменениями переменного тестирующего напряжения.
В этом случае выражение для емкости (Збб) принимает вид выражения (25). Высокочастотная С вЂ” $'-зависимость МОП-структуры, в которую не входит емкость поверхностных состояний С„изображена на рис. 17 штриховой линией. Однако и в этом случае поверхностные состояния влияют на форму вольт-фарадной характеристики, сдвигая и растягивая ее вдоль оси напряжений. Дело в том, что при наличии связанного поверхностного заряда требуется соответствующее увеличение (по сравнению с ситуацией в идеальной МДП-структуре) заряда на металлическом электроде, чтобы достичь того же значения поверхностного потенциала.
По форме высокочастотной вольтфарадной зависимости плотность поверхностных состояний определяется с помощью следующего выражения: Со ~п — ~~ ((,(,,~,Л7)-~ 11 о „м-~,В-т; З7) ч ' ч МДП-структуры. Прибора с зарядовой связью 399 При этом сначала по значению полной емкости С с помощью выражения (25) определяют дифференциальную емкость полупроводника Сп, а затем с помощью формулы (20) находят поверхностный потенциал ф, (для этого необходимо знать концентрацию легирующей примеси). После этого производную уф,/сБ' определяют графическим дифференцированием.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
