3.6. Компоненты заряда в реальном диоксиде кремния и их влияние на вфх мдп-структуры

Из всех МДП-структур наиболее важными являются структуры металл - SiO₂ - Si (МОП). МОП-структура создается в результате высокотемпературного окисления Si. Слой SiO₂, возникающий при термическом окислении кремния, следует рассматривать как некоторый переходный слой с переменным химическим составом. Предполагается, что на границе монокристаллического кремния находится моноатомный слой нестехиометрического SiO_x (1 < х < 2; стехиометрическому диоксиду кремния соответствует х = 2), представляющий собой неполностью окисленный кремний. Затем следует промежуточный слой SiО₂ с большими внутренними механическими напряжениями толщиной 10 - 40 Å, который переходит в обычный ненапряженный стехиометрический аморфный SiО₂ (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Классификация зарядов, присутствующих в термически окисленном кремнии

Отличие характеристик реальных МОП-структур от соответствующих зависимостей идеальных МДП-структур обусловлено рядом факторов, к их числу относятся:

1) возникновение на границе раздела SiO₂ - Si поверхностных ловушек и зарядов в оксиде;

2) различие работ выхода алюминия и кремния;

3) образование подвижных ионов, которые могут внедряться в кристаллическую решетку SiO₂, в ходе процесса оксидирования.

В настоящее время принята следующая классификация этих зарядов и ловушек (рис. 3.10):

1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками Q_it, представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Si - SiО₂ 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 Q_f, 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 Q_оt. 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 Q_m (например, ионов натрия, калия, то есть щелочных металлов, которые легко абсорбируется диоксидом кремния), который может перемещаться в слое окисла при стрессовых термополевых нагрузках МДП-структур.

Величину всех этих зарядов обычно относят к единице площади границы раздела, то есть измеряют в единицах Клсм^-2. Вместо Q_i часто используют соответствующие поверхностные плотности, которые обозначают символом N_i с теми же индексами (N_t = Q/q - число зарядов на 1 см²). Поскольку энергетические уровни состояний, захватывающих поверхностный заряд Q_it, непрерывно распределены в запрещенной зоне полупроводника, полезной характеристикой является энергетическая плотность поверхностных состояний

, [число зарядов/(см²эВ)]. (3.37)

Поверхностные состояния и заряд в оксиде влияют на форму ВФХ, сдвигая и растягивая ее вдоль оси напряжений (рис. 3.11). Положение реальных ВФХ характеризуется так называемым сдвигом напряжений плоских зон V_FB, определяемым по отношению к ВФХ идеальной МДП-структуры.

Рис. 3.11. Сдвиг ВФХ вдоль оси напряжений, обусловленный положительным или отрицательным фиксированным зарядом оксида: а – для полупроводника р-типа;

б - для полупроводника п-типа