Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
модификаций ответственно за слабые электрострикцион-ные и
пьезоэлектрические эффекты в толстых пленках Si02.
Для определения химического состава переходного слоя и его структуры
привлекались практически все описанные в гл.4 методы диагностики
поверхности. Исследования оже-спектров (ЭОС) в сочетании с ионным
послойным стравливанием поверхности указывают на избыточное, по сравнению
со стехиометрическим составом Si02, содержание атомов кремния в межфазной
области, которое достигает величины (0,5-2)-10-2 м"2.
Пока еще преждевременно строить детальную количественную модель межфазной
границы Si-Si02 (Ge-Ge02). Даже средние размеры этой области по данным
разных методов колеблются в весьма широких пределах - от 0,3 до 3-5 нм.
Они зависят от выбора физического параметра, по которому измерялся
профиль. Можно только в общих чертах представить межфазную область как
непрерывный переход от дефектной внешней поверхности монокристалла
кремния к сильно неупорядоченному и деструктированному слою, содержащему
фрагменты кремний (германо)-кислородных тетраэдров с различной
координацией атомов кислорода, скопления атомов самого
186
Глава 6
кремния (германия), кислородные вакансии, а также примесные атомы. Этот
слой по мере удаления от границы постепенно переходит в структуру
разупорядоченного стехиометрического S1O2 (GeC>2). Концентрация примесных
и собственных дефектов убывает в этом же направлении.
Благодаря развитым полям деформаций в переходной области последняя, по-
видимому, является стоком подвижных дефектов как из полупроводника, так и
из его оксида. Вакансионные дефекты снижают напряжения на межфазной
границе, упругие взаимодействия стимулируют реакции между дефектами и их
ассоциацию в более сложные комплексы (Литовченко, Смирнов).
Значительно менее подробно изучены межфазные границы с металлом в
слоистых структурах МДП и барьерах Шоттки (МП). Обычно в качестве
металлического затвора в МДП-электронике используется алюминий. Еще
Вернадский показал, что атомы А! могут изоморфно замещать атомы Si,
образуя широкий класс алюмосиликатов, с составом (БЮгХхХ^гОзУу.
Действительно, с помощью ЭОС и РФЭС на межфазной границе Al-Si02 были
зарегистрированы фаза Y-AI2O3 или, в зависимости от условий напыления
металла, фазы алюмосиликатов толщиной от 10 до 70 нм. Методами масс-
спектроскопии вторичных ионов было доказано проникновение отдельных
атомов А1 на глубину до 100 нм в оксидную пленку SiC>2. Атомы А1 снимают
частично или полностью Фг-ло-взаимодействия в силоксановых мостиках
(рис.6.1). В трехкоординированном состоянии, как мы уже отмечали, эти
атомы представляют мощные ЭА-центры (рис.6.3,о комплекс III). Также
изоморфно замещают кремний в S1O2 и атомы В, Р, Sb и др. Ряд элементов
переходной группы образуют с кремнием весьма устойчивые и прочные
силициды. Они стали широко применяться в качестве тонких диэлектрических
прослоек в контактах Шоттки.
6.2. Электронная структура слоистых систем полупроводник-оксид
Будем придерживаться той же последовательности изложения, как и в
предыдущем разделе, и рассмотрим электронную структуру оксидной пленки в
модельной системе Si-Si02- Поскольку все многообразие свойств
кристаллических и аморфных модификаций SiC>2 в основном определяется
широкой вариацией углов 0 между кремний-кислородными тетраэдрами при
малых изменениях параметров самих тетраэдров, для теоретического
построения их зонной диаграммы широко применялся метод сильной связи с
короткодействующим потенциалом взаимодействия. Такие расчеты для а-кварца
показали, что его валентная зона состоит из трех подзон: самая нижняя
(шириной 1,5-3 эВ) в основном образована 2s орбиталями кислорода с
небольшой примесью 2р состояний и 3s состояний Si; средняя
Природа реальных поверхностей и межфазных границ
187
подзона - связывающими 2р орбиталями кислорода (ширина 5-8 эВ) и верхняя
заполненная подзона (шириной 2-4 эВ) - 2р несвязывающими орбиталями
кислорода. Зона проводимости в основном сформирована sup состояниями Si,
а ее ширина определяется вкладом 2s орбиталей кислорода. Ширина
запрещенной зоны Egwvi непрямых переходов в а-кварце по данным разных
авторов составляет = 8,7-9,2 эВ; для прямых оптических переходов в точке
Г зоны Бриллюэна Eg = 11,65 эВ, что хорошо согласуется с экспериментом
(Eg= 11,67 эВ).
Широкий диапазон вариаций углов 0 приводит к флуктуациям эффективных
зарядов атомов кремния в аморфных пленках SiC>2 и на их межфазных
границах. Кооперативные случайные поля, созданные этими зарядами,
согласно теории неупорядоченных систем вызывают отщепление от границ
разрешенных зон плотных хвостов локализованных состояний (рис.2.16).
Наиболее яркие максимумы плотности локализованных состояний в запрещенных
зонах SiC>2 и Si возникают при стехиометрических нарушениях в SiC>2 и при
разрыве связей в кремнии.
Существуют два простых способа определения высоты энергетических порогов,
отделяющих полупроводник от диэлектрика в ДП-структурах.
