6.2 Механизмы нестабильности мдп структур

Нестабильность МДП структур обусловлена, наличием в слое диэлектрика подвижных ионов и ловушек, способных захватывать подвижные носители заряда из приповерхностного слоя полупроводника, а также так называемой тепловой ионно-релаксационной поляризацией.

Сущность первого их перечисленных механизмов, обычно называемого нестабильностью ионного дрейфа, поясняется рис. 6.4 и 6.5.

Рис. 6.4. Подвижные ионы	Рис. 6.5.

В диэлектрике имеются ионы, способные перемещаться под действием электрического поля, и в первый момент времени все они сконцентрированы у поверхности металлического электрода. Мгновенная подача положительного потенциала на металлический электрод приведет к тому, что в приповерхностном слое полупроводника n-типа появится соответствующей величины заряд электронов Q. Ионы еще остаются у металлического электрода и не оказывают влияния на величину заряда электронов. В дальнейшем они начнут перемещаться к границе раздела диэлектрик – полупроводник и для компенсации заряда этих ионов к поверхности полупроводника подтянется дополнительное количество электронов, что приведет к увеличению проводимости слоя объемного заряда у поверхности полупроводника.

Наиболее легко подвижными в SiO₂ являются ионы H, Li и Na. Они способны мигрировать при напряженностях поля несколько более 10⁶ В/см, причем их подвижность быстро увеличивается при увеличении напряженности поля и температуры. Эффективная постоянная времени, характеризующая эти процессы, в зависимости от величин указанных выше параметров и вида иона может составлять от нескольких минут до нескольких суток и даже более.

Второй механизм, получивший название инжекционной нестабильности, обусловлен наличием в диэлектрике ловушечных центров, способных захватывать подвижные носители заряда из объема полупроводника. Электроны попадают на эти центры за счет туннелирования, которое экспоненциально ускоряется при увеличении напряженности поля и столь же сильно замедляется при увеличении расстояния между центрами, на которых могут находиться носители заряда. Поэтому реально носители заряда могут захватываться лишь теми ловушками, которые расположены в непосредственной близости от поверхности полупроводника, на расстоянии в несколько (до 2-3) нм. Такой захват практически не сказывается на общей величине заряда. Величина заряда в полупроводнике оказывается уменьшенной на величину, равную заряду на ловушках (см. рис. 6.6 и 6.7).

Эффективная постоянная времени процессов, ответственных за инжекционную нестабильность, лежит в тех же пределах, которые характерны для нестабильности ионного дрейфа.

Рис. 6.6.	Рис. 6.7.

Может показаться, что два рассмотренных механизма могли бы рассматриваться как компенсирующие друг друга. В действительности это нереально, так как эти механизмы имеют принципиально разные зависимости от напряженности поля и температуры.

Третий механизм нестабильности проявляется в тех случаях, когда в диэлектрике имеются диполи, которые могут термоактивируемыми процессами менять свою ориентацию под действием электрического поля. Примером такого диполя может служить комплекс на основе атома фосфора. В решетке SiO₂ атом фосфора замещает один из атомов кремния и имеет близкую к тетраэдрической координацию по отношению к атомам кремния. Однако, как пятивалентный элемент, он может иметь дополнительную связь, например, типа P–O–Na, которая обладает достаточно большим дипольным моментом. Изменение ориентации такого диполя идет в виде активируемого температурой перескока группы –O–Na вокруг атома фосфора. При отсутствии электрического поля все такие диполи ориентированы хаотически, и их суммарный момент равен нулю. При наличии электрического поля появляется предпочтительная ориентация таких диполей, что эквивалентно увеличению диэлектрической проницаемости, и это, естественно, отражается на величине заряда в приповерхностном слое полупроводника. Таким образом, этот механизм влияет на величину заряда так же, как и нестабильность ионного дрейфа.

Следует отметить, что существуют и другие механизмы нестабильности, оказывающие существенное влияние на работу МДП структур, особенно короткоканальных МДП транзисторов. Три перечисленных выше механизма наиболее существенным образом сказываются на функционировании всех МДП структур и зависят от технологии их изготовления

Рис. 6.8.	Рис. 6.9.

Рис. 6.10. Потенциальная яма