2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик

Структурно поверхность полупроводника состоит из атомов с частично оборванными связями. Эти связи ненасыщенные, что эквивалентно энергетическим состояниям, уровни которых лежат внутри запрещенной зоны и являются акцепторными независимо от типа электропроводности объема монокристалла. Наряду с акцепторными в полупроводнике могут образовываться дополнительные поверхностные состояния в результате адсорбции атомов чужеродных жидких или газообразных веществ. В зависимости от свойств адсорбированных атомов возникающие в запрещенной зоне энергетические уровни могут быть как донорными, так и акцепторными.

Поверхность кремния после любой очистки или непродолжительного соприкосновения с воздухом покрывается пленкой окисла, которая усложняет картину энергетических уровней. Возникают уровни, зависящие от структуры окисного слоя и характера окружающей газовой среды. Все эти уровни получили название поверхностных состояний полупроводника. Плотность поверхностных состояний имеет величину 10¹² - 10¹³ см^-2 , а при использовании оптимальных режимов термического окисления ее удается снизить до величины приблизительно 10¹⁰ см^-2. При термическом окислении кремния наблюдается появление положительных зарядов на границе раздела Si - SiO₂ и в объеме диэлектрика.

На основании экспериментальных данных принята следующая классификация состояний и зарядов на границе раздела Si - SiO₂ .

1. Поверхностные состояния определяются как энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, способные обмениваться зарядом с объемом полупроводника в течение короткого времени. Их плотность N_ss измеряется количеством состояний на квадратный сантиметр на единичном энергетическом интервале (см^-2 эВ^-1 ).

Причинами возникновения поверхностных состояний в присутствии диэлектрика, как и на неокисленной поверхности полупроводника, могут быть: свободные связи поверхностных атомов и другие дефекты поверхности полупроводника; примесные атомы, адсорбированные поверхностью в процессе окисления и последующих обработок образца.

Плотность поверхностных состояний N_ss зависит от кристаллогра­фической ориентации полупроводника, состава атмосферы. (При окислении во

влажном кислороде концентрации N_ss невелики - до 10¹⁰ см^-2, тогда как при

окислении в сухом кислороде они могут достигать 10¹⁰ см^-2 .)

2. Неподвижный (фиксированный) заряд в окисле Q_so локализуется вблизи поверхности полупроводника (около 20 нм) и не способен перемещаться под действием приложенного нормально поверхности полупроводника электрического поля, измеряется в кулонах на квадратный сантиметр (Кл/см ).

Физическая природа неподвижного заряда в окисле Q_so объясняется наличием избыточных ионов кремния в SiO₂ и является собственным свойством поверхности раздела Si - SiO₂ , т.е. не связан с посторонними ионными загрязнениями. Этот заряд присутствует только в термически выращенном окисле кремния. Он локализован в области, простирающейся не более чем на 20 нм от поверхности кремния.

2. Подвижный (медленнорелаксирующий) заряд Q_i (Кл/см²) изме­няется при наличии значительного поперечного поля, совмещенного с термическими воздействиями в диапазоне умеренных температур (примерно 100-300 °С).

Медленнорелаксирующий заряд Q_i связан с различного рода загрязнениями и дефектами диэлектрика. Считается, что он распределен по всей толщине диэлектрика, поэтому его иногда называют объемным зарядом в диэлектрике. Одной из основных причин возникновения этого заряда является присутствие в окисле примесей щелочных металлов, в особенности натрия. Действительно, натрий - широко рассеянная в окружающей среде примесь. Подвижность его положительных ионов в SiO₂ при 100 °С и напряженности электрического поля около 5-10⁵ В/см столь высока, что они за несколько минут способны пройти весь слой окисла. Другой причиной появления медленнорелаксирующего заряда в окисле являются протоны H⁺.

Величина медленнорелаксирующего заряда зависит от влияния примесей металлов, органических загрязнений в диэлектрике, а также от метода получения диэлектрического слоя. Суммарный заряд на границе раздела кремний-термический окисел равен:

Qs = Qso + Q_SS + Qi

2. Заряд на ловушках в диэлектрике Q₊ возникает под действием ионизирующего излучения или большого по величине электронного тока, протекающего через диэлектрик (Кл/см² ).

На границе кремния с диэлектриком, нанесенным на его поверхность, могут присутствовать три последние вида зарядов.

Основным методом контроля поверхностного заряда в системе полупроводник-диэлектрик является метод вольт-фарадных характеристик структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структур). Измерение вольт-фарадных характеристик до внешних воздействий на МДП-структуру и после них позволяет разделить различные виды зарядов в структуре и исследовать их стабильность.

МДП-структура представляет собой конденсатор, одной обкладкой которого является полупроводниковая подложка, другой - металлический электрод, разделенные тонким слоем изолирующего материала x ≈ 0,1 - 0,2 мкм (рис.2.11).

Рис. 2.11. Структура металл - диэлектрик полупроводник: 1 - металл; 2 - изолятор; 3 полупроводник; 4 - контакт к подложке

В МДП-структуре при отсутствии смещения поверхностный потенциал может отличаться от нуля. Причиной этого являются заряд на границе раздела полупроводник-диэлектрик, заряд в объеме диэлектрика Q_s и контактная разность потенциалов металл - полупроводник φ _Ms, приводящие в общем случае к изменению формы C(U) характеристики и смещению ее вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений (так как заряд в диэлектрике положительный) по сравнению с теоретической C(U) характеристикой идеального МДП-конденсатора.

Фиксированный заряд Q_so вызывает параллельное смещение C(U) характеристики относительно теоретической вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений.

Рис.2.12. Изменение вольт-фарадной характеристики МДП-структуры под действием фиксированного заряда: 1 - идеальная характеристика, 2 – реальная

Кроме фиксированного заряда, подобное смещение С (U) характеристики вызывает контактная разность потенциалов металл-полупроводник.

Сопоставляя экспериментальную и теоретическую С (U) характеристики (рис.2.12), определяется смещение одной относительно другой вдоль оси напряжения ∆U_FB на уровне C_FB (значение емкости идеальной С (U) характеристики при U = 0). Суммарный заряд в диэлектрике и на границе раздела находится из соотношения

Смещение ∆U_FB получило название "напряжение плоских зон" (flat band).

Медленнорелаксирующий заряд также приводит к параллельному смещению С (U) характеристик в сторону отрицательных значений напряжений. При комнатной температуре и в отсутствие внешнего напряжения действия зарядов Q; и Q_so идентичны. После выдержки МДП-структуры при повышенной температуре (100 -300°С) под напряжением наблюдается заметное изменение С(U) характеристики, которая смещается по оси напряжений в ту или иную сторону в зависимости от знака напряжения (рис.2.13)

Рис.2.13. Влияние медленнорелаксирующего заряда на вольт- фарадную характеристику МДП-структуры:

1 - исходная кривая; 2 термополевая обработка (Т = 125 °С; t = 30 мин) при U= +10 В; 3 - термополевая обработка при тех же условиях, но при U= -10 В

Исходная вольт-фарадная характеристика (кривая 1) переходит в кривую 2 после того, как структура Si - SiO₂ нагревалась при температуре 125 °С в течение 30 мин со смещением +10 В на металлическом электроде. Кривая 3 получена при той же термообработке, но при смещении -10 В (видно частичное восстановление вольт-фарадной кривой). Заряд Q_i оценивается по величине сдвига ∆U_fb вольт-фарадной характеристики после термополевой обработки.