Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Приведенные выше экспериментальные результаты можно интерпретировать с помощью модифицированных эквивалентных электрических схем (рис. 22). Эквивалентная схема на рис. 22, а учитывает дисперсию характерного времени перезарядки поверхностных состояний, обусловленную статистическими флюктуациями поверхностного потенциала. Каждая из составляющих ее последовательных цепочек Р,'С,' соответствует непрерывному спектру поверхностных состояний на характеристической плошадке А„величина которой пропорциональна квадрату глу- 405 а~ уб б б Ю Д7' Л!' а" ЮУ И' у, гу Рис. 21, Зависимость бр/го от частоты для 6! — 6!Оа — МДП-структуры в режиме обеднения и в режиме слабой инверсии [26].
°, Π— экспериментальные результаты; — расчетные результаты. бины обедненного слоя '). Эта эквивалентная схема описывает поведение МДП-структуры в 'режиме обеднения. Схема на рис. 22, б отвечает ситуации, когда уровень Ферми на границе раздела проходит вблизи середины запрещенной зоны, т. е. когда дф, = дфв -~ несколько ИТ. Я„', и Й', — эквивалентные сопротивления захвата электронов и дырок соответственно. Наличие двух сопротивлений в каждой элементарной цепочке этой эквивалентной схемы отражает тот факт, что при ф = фв плотности электронов и дырок на границе с окислом являются величинами одного порядка, и, следовательно, необходимо учитывать вклад носителей обоих типов в перезарядку поверхностных состояний.
В режиме слабой инверсии (2фв ) ф, ) фв) !рис. 22, в) эквива- ') В пределах каждой из этих площадок поверхностный потенциал считается постоянным, а статистическое распределение значений 'ф, по различным площадкам описывается гауссовой функцией с дисперсией, пропорциональной заряду ЯГ+ фь Для более глубокого ознакомления с физикой перезарядки поверхностных состояний кроме оригинальной статьи [26[ можно рекомендовать довольно полный обзор Гоетцбергера, Клаусмана и Шульца в журнале СЙС, Сги!са! Кеу!ечз 6о!!б 61а1е Зс!епсез, 19?6, !аппагу, рр.
1 — 43, — Прин перов 25 Ъ7 г5 Э ~о ~о МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 466 Глава 7 д г Рис. 22. Модифицированные эквивалентные электрические схемы МДП-структуры 126, 151. а — режим обеднения; б — промежуточный режим ме>нду обеднением и слабой инверсией; в — слабая инверсия; г — сильная инверсия. лентные сопротивления захвата неосновных носителей Р„а много меньше эквивалентных сопротивлений Йр„и поэтому эквивалентные емкости С,' можно считать соединенными параллельно. При этом эквивалентная схема на рис. 22, б становится схемой на рис. 22, в, частотные свойства которой характеризуются единственной постоянной времени СЯ,. Это согласуется с экспериментальными частотными зависимостями активной проводимости МДП-структур в режиме слабой инверсии.
Эквивалентная схема МДП-структуры в режиме сильной инверсии 1151 (~, > 2ф~) приведена на рис. 22, г, где С; и Сп — емкости изолятора и полупроводника соответственно. Сопротивление Я,, соответствует компоненте тока перезарядки инверспонного слоя, обусло- 407 МДП-структуры. Приборы с варядовой связью вленной диффузией неосновных носителей из электронейтрального объема подложки к краю области обеднения, а Яв, — генерации неосновных носителей через поверхностные состояния. Сопротивление Явзз связано с генерацией и рекомбинацией носителей тока в области пространственного заряда. Экспериментально установлено, что в кремниевых МОП-структурах именно генерация и рекомбинация ц, области пространственного заряда являются главными процессами, определяющими частотную зависимость отклика МОП-структуры в режиме сильной инверсии.
Отметим, что в этом'~режиме емкость полупроводника, включающая емкость инверсионного слоя, много больше емкости поверхностных состояний, поэтому последней можно пренебречь. 7.3.2. Заряды в окисле В соответствии с классификацией, предложенной в работе 119) и сформулированной в начале разд. 7.3, заряд в окисле состоит из фиксированного заряда окисла ф», заряда, захваченного в окисле ~вы и заряда подвижных ионов Я (рис. 15). Фиксированный заряд окисла Яу имеет следующие свойства: 1) величина остается неизменной в широком диапазоне изменений поверхностного потенциала ф,; 2) локализован в слое толщиной порядка 30 А вблизи границы раздела 51 — ЯО, (71; 3) величина слабо зависит от толщины слоя окисла типа проводимости и концентрации легирующей примеси в подложке; 4) в большинстве случаев положителен, а величина зависит от ориентации подложки и технологических режимов окисления и отжига структур. Предполагается, что фиксированный'заряд ф~ обусловлен либо избыточным (трехвалентным) кремнием, либо избыточным (несвязанным, потерявшим один электрон) кислородом в приповерхностном слое Ь1Ов.
При анализе электрических характеристик МОП-структур фиксированный заряд ф~ можно рассматривать как заряженный слой, локализованный на границе раздела Я вЂ” 81Оз. На рис. 23 приведены высокочастотные вольт-фарадные зависимости, сдвинутые вдоль оси напряжений в результате присутствия либо положительного, либо отрицательного фиксированного заряда ф на границе раздела [7).
Положение этих кривых характеризует так называемый сдвиг напряжения плоских зон, определенный по отношению к С вЂ” У характеристике идеальной МДП-структуры с ф = О, Независимо от типа проводимости подложки положительный заряд Я~ сдвигает С вЂ” $'-характеристику в сторону отрицательных напряжений смещения, а отрицательный заряд Я~ — в сторону положительных смещений. Характер влияния фиксированного заряда ф на С вЂ” $'-характеристики можно легко пояснить с помощью рис.
24, где условно показано «поперечное сечение» МОП-структуры с положитель- Глава 1 Рис. 23. Сдвиг С вЂ” 1~-кривых вдоль оси напряжений, обусловленный положительным или отрицательным фиксированным зарядом окисла [7[. а — для полупроводника р-типа; б — для полупроводника п-типа. ным ф~ при отрицательном напряжении смещения. Для полной электронейтральности структуры необходимо, чтобы каждый отрицательный заряд на ее металлическом электроде компенсировался равным по величине и противоположным по знаку зарядом в диэлектрике или в полупроводнике.
В идеальной МДП-структуре ф = О, и эта компенсация осуществляется только за счет заряда ионизированных доноров в обедненном слое полупроводника. В реальной МОП-структуре с положительным ф часть зарядов на металлическом электроде компенсируется фиксированным заФ1епуалл Ль" 5с' 1 ! ыи зарвУ окисла ф Рис. 24. Влияние фиксированного заряда окисла иа свойства МДП-структур [24[, МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 4бэ рядом окисла, что естественно приводит к соответствующему уменьшению глубины области обеднения по сравнению с идеальной МДП-структурой при том же напряжении смещения.
Этот результат проиллюстрирован на рис. 24, где показано, что часть силовых линий электрического поля замыкается на фиксированном заряде Я». Так как глубина области обеднения уменьшается, емкость МОП-структуры увеличивается, и, следовательно, вся С вЂ” $'-кривая сдвигается по отношению к идеальной в сторону отрицательных напряжений. При отрицательных ф~ С вЂ” У-кривая сдвигается в противоположном направлении. Абсолютная величина этого сдвига — дахр (х) шх~, о (45) где Я вЂ” эффективный заряд подвижных ионов, приходящийся на единицу площади границы раздела, а р 1х) 1Кл см ')— объемная плотность заряда подвижных ионов. На рис.
25 приведены профили концентрации, полученные в процессе диффузии натрия в пленках нитрида кремния 132) с различными размерами кристаллитов. Отметим, что наиболее устойчивым по отношению к проникновению ионов натрия оказывается аморфный Ы,Ы»- Чтобы предотвратить проникновение подвижного ионного заряда в окисел в процессе рабочего цикла приборов, можно исполь- Д1'1 — С (44) Как впервые установлено в работе ~30], присутствие ионов щелочных металлов, таких, как натрий, в термически выращенном ЬЮ~ является основной причиной нестабильности характеристик полупроводниковых приборов, пассивированных с помощью окисления.
Ионы щелочных металлов влияют также и на надежность работы полупроводниковых приборов при повышенных температурах и напряжениях, поскольку в этих условиях ионы могут передвигаться в слое диэлектрика, что приводит к нежелательным изменениям характеристик приборов (например, сдвигу пороговых напряжений). На рис. 25 приведено распределение ионов натрия в слое ЬЮ~ (штриховая кривая), установившееся в результате термополевого дрейфа 131).
В этой структуре исходная толщина слоя окисла составляла 5400 Л, а концентрация акцепторов в кремнии 5 Х Х 10" см '. Отметим, что концентрация ионов натрия на границе раздела довольно велика (3 10" см '). Это приводит к большому сдвигу напряжения плоских зон и нестабильности характеристик.