Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99

Таблица 6.1

Высота потенциального барьера на границе металл -SiOj [И8, 149]

Металл

Фмо. В

2,25

4,15

Таблица 6.2

Значения ffs Для МОП-структур с А1- н Ли- затворами прн 300 К

Концентра-

fMS- В

примеси в Si, см~3

.....* -------

Al-SiOj-n-Si

Al-SiO.-p-Sl

Au-SiOi-n-Si

Au-SlOj-p-Sl

10"

-0,36

-0,82

+0,54

h0,08

1015

-0,30

-0,88

-1-0,60

-0,02

10"

-0,24

-0,94

-1-0,66

• -0,04

10"

-0,18

-1,00

+0,72

-0,10

сосредоточенного у поверхности металла. При Vg=ms (условие плоских зон, рис. 54, б) изгиб зон исчезает и плотность объемного заряда становится равной нулю во всей структуре. Когда отрицательное смещение Vg превысит по абсолютной величине значение фмв (рис. 54, в), у поверхности полупроводника образуется обогащенный дырками р+-слой, объемный заряд в полупроводнике становится положительным, а в металле - отрицательным. fHcynoK 54, г иллюстрирует важный случай образования инверсионного слоя при положительном смещении Vg, когда середина запрещенной зоны на поверхности полупр(вод-ника оказывается ниже уровня Ферми. При этом объемный отрицательный заряд в приповерхностном слое создается электронами зоны проводимости, а в более глубоко расположенной обедненной области - акцепторными ионами. Дальнейшее увеличение положительного смещения увеличивает лишь концентрацию электронов в инверсионном слое, толщина же ОПЗ более не возрастает.

Влияние инверсионного слоя сказывается, когда п>Ла, где п-концентрация свободных электронов. При Г=293 К, Na~ = 10** см-з, Пг=6,56-10 см- (концентрация носителей в собственном образце) этому условию будет соответствовать

:0,72 В.



6.2. Реальные структуры *

6.2.1. Поверхностные состояния. Таммом [150] н Шокли [151] было показано, что обрыв периодического хода потенциала на границе кристалла обусловливает появление в запрещенной зоне полупроводника дополнительных энергетических уровней, локализованных у его поверхности. Эти уровни, плотность которых равна поверхностной плотности атомов с ненасыщенными связями [=к8-10" см~ для грани (111) кремния], должны быть акцепторными и вызывать инверсию типа проводимости образцов «-типа и образование р.+-слоя на кристаллах дырочной проводимости. Присутствие на реальных поверхностях различных загрязнений приводит к тому, что тип поверхностных состояний и их плотность существенно зависят от способа обработки кристалла (заметим, что свободная поверхность кремния обычно имеет, электронную проводимость, обусловленную поверхностными уровнями донорного типа). Несмотря на большое количество проведенных исследований, в настоящее время еще не существует ясности в представлениях об энергетическом распределении поверхностных ловушек и соответствии их свойств предсказаниям теории [152, 153). Не решен также вопрос о возможности при-мсне1»1я к поверхностным состояниям статистики Ферми [154].

Покрытие поверхности кремния пленкой окнсла приводит к следующим эффектам. Во-первых, за счет образования связей Si-О и соответствующего уменьшения числа незаполненных связей поверхностных атомов, плотность поверхностных ловушек уменьшается до величины порядка 10"см-. Во-вто--рых, существование объемного электрического заряда в окисле вызывает образование инверсионного слоя на поверхности р-кремния и слоя п+ на образцах «-типа. Наконец, пленка SiOz играет роль защитного покрытия, уменьшающего воздействие внешней среды иа поверхность полупроводника.

Изучению энергетических состояний электронов иа оксидированных кремниевых поверхностях посвящено значительное число работ. Основными экспериментальными методами являются исследования проводимости [163] и вольт-фарадных характеристик МОП-структур [155-162]. Поскольку этим методам присущ ряд ограничений [157], а также вследствие зависимости свойств поверхности от ориентации кристалла, условий выращивания окисла, присутствия неконтролируемых примесей и способа обработки изготовленных структур, однозначная интерпретация результатов измерений часто не может быть получена. В связи с этими трудностями вопрос о природе и параметрах поверхностных состояний на границераздела Si-Si02 еще окончательно не разрешен. Установлено, однако, что прп тщательном изготовлении МОП-структуры величина заряда, захваченного поверхностными ловушками, практически не зависит от приложенного напряжения [164J. Это обстоятельство существенно облегчает анализ работы приборов.

6.2.2. Объемный заряд окисла. Несмотря на то, что поверхностные уровни всегда присутствуют в значительном количестве, основное влияние на величину поверхностного потенциала оказывает объемный заряд окисла, сосредоточенный, как следует из эксперимента, вблизи границы раздела Si-Si02. Для объяснения причин существования и свойств этого заряда предложены следующие четыре механизма [168-172].

1. В модели кислородных вакансий [168] предполагается, что вследствие взаимодействия кислорода окисла с металлом затвора в пленке SiOj возни--кают положительно заряженные вакаисип кислорода, которые при температуре больше 100° С могут мигрировать через слой диэлектрика. Если к затвору приложено папрйжение смещения, 11аблюдается переходный ток, обусловленный движением нонов в электрическом поле. Интеграл этого тока по времени является мерой перераспределения заряда [173, 174].

* Подробные сведения о свойствах поверхности полупроводников можно найти в [152, 153, 42.3, 424, 425]; методы выращивания Si02 и свойства AlOn-cTpyKTyp детально рассмотрены в [36, 165, 166]. Обширная библиография по исследованиям Л10П-структур представлена в [152, 153, 166, 167].



Влияние температуры и напряжения смещения на заряд может быть существенно уменьшено путем обработки окисла в парах Р2О5 при температуре «гЮОСС [173], в результате которой образуется .слой фосфоросили-катного стекла, являющегося поставщиком атомов кислорода и тем самым препятствующего образованию кислородных вакансий.

2. Авторы работы [169] считают, что температурная нестабильность и дрейф характеристик МОП-структур под напряжением обусловлены неконтролируемыми загрязнениями поверхности БЮг ионами щелочных металлов, диффундирующих в объем окисла и создающих положительный заряд. С помощью методики радиоактивных изотопов было обнаружено, что концентрация ионов натрия может достигать величины =к10*см~ в объеме и

10** см-з у поверхности окисла. При этом основная часть заряда для пленки SiOz толщиной 6000 А располагается в пределах слоя «1000 А вблизи границы Si-SiOz. По другим данным половина объемного заряда сосредоточена в слое толщиной 10% от всей толщины диэлектрика [175] или в еще более узкой области («50 А) [168, 176], прилегающей к п-каналу. Уменьшение положительного заряда окисла при обработке фосфорным ангидридом объясняется в этой мо.г№ли тем, что фосфоросплпкатпое стекло является геттером, поглощающим 1юны натрия.

3. В работах [171, 172] дрейф характерпстпк МОП-структур псследовалсп с помощью радиохимической методики. Используя тритиевую воду и радиоактивный изотоп Na", автор установил, что медленная компонента дрейфа обусловлена миграцией ионов натрия, а быстрая - движением атомов водорода или водородосодержащих комплексов, возникающих в объеме окисла за счет поверхностных загрязнений.

4. Поскольку окисление кремния происходит в результате химической реакции, переход от Si к SiOz не является металлургически резким и в области этого перехода накапливается излишек кремния. Согласно [170] избыточный кремний присутствует частично в виде ионов, образуя положительный заряд вблизи границы раздела Si-SiOj.

Вклад того или иного из рассмотренных механизмов еще окончательно не выяснен, однако существование объемного заряда, распределенного в слое окисла, является твердо установленным. Ниже будет показано, что этот заряд при анализе характеристик МОП-структур может быть заменен двумя эффективными поверхностными зарядами Qss и Qgs, расположенными, соответственно, на границах диэлектрик - полупроводник и диэлектрик - металл.

6.2.3. Эквивалентный поверхностный заряд. Пусть р{х) - распределение заряда в объеме окисла, х = 0 соответствует гра-нице раздела металл-диэлектрик, х = Хо - координата границы диэлектрик-полупроводник. Элемент заряда p{x)dx наводит в металле и полупроводнике заряды dQg и dQs. Обозначая изменения поля, вызванные наличием этих элементарных зарядов через dEi и Ег, соответственно слева и справа от точки х и учитывая, что разность потенциалов между металлом и полупроводником остается постоянной, можно записать:

xdEi+{xo-x)dE + d(ps=0, (6-3)

где d(ps - изменение поверхностного потенциала полупроводника. Поскольку поверхностный потенциал ф., однозначно определяется зарядом, сосредоточенным в полупроводнике, т. е. 4>s=f{Qs), то d(ps = fiQs)dQs. Тогда, применяя теорему Гаусса и используя условия нейтральности dQg+dQ.,+p(x)dx=0, (6-3) можно переписать в виде:

- dQ, [хо-ео/ (Q,)] = хр (X) dx, (6-4)





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99