Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
В соответствии с классификацией, предложенной в работе [19] и
сформулированной в начале разд. 7.3, заряд в окисле состоит из
фиксированного заряда окисла Qf, заряда, захваченного в окисле Qot, и
заряда подвижных ионов Qm (рис. 15).
Фиксированный заряд окисла Qf имеет следующие свойства: 1) величина
остается неизменной в широком диапазоне изменений поверхностного
потенциала \|)s; 2) локализован в слое толщиной порядка 30 А вблизи
границы раздела Si - Si02 [7 ]; 3) величина слабо зависит от толщины слоя
окисла типа проводимости и концентрации легирующей примеси в подложке; 4)
в большинстве случаев положителен, а величина зависит от ориентации
подложки и технологических режимов окисления и отжига структур.
Предполагается, что фиксированный4заряд Qf обусловлен либо избыточным
(трехвалентным) кремнием, либо избыточным (несвязанным, потерявшим один
электрон) кислородом в приповерхностном слое Si02. При анализе
электрических характеристик МОП-струк-тур фиксированный заряд Qf можно
рассматривать как заряженный слой, локализованный на границе раздела Si -
Si02.
На рис. 23 приведены высокочастотные вольт-фарадные зависимости,
сдвинутые вдоль оси напряжений в результате присутствия либо
положительного, либо отрицательного фиксированного заряда Qf на границе
раздела [7]. Положение этих кривых характеризует так называемый сдвиг
напряжения плоских зон, определенный по отношению к С - V характеристике
идеальной МДП-структуры с Qf - 0. Независимо от типа проводимости
подложки положительный заряд Qf сдвигает С - ^-характеристику в сторону
отрицательных напряжений смещения, а отрицательный заряд Qf - в сторону
положительных смещений.
Характер влияния фиксированного заряда Q} на С - У-харак-теристики можно
легко пояснить с помощью рис. 24, где условно показано "поперечное
сечение" МОП-структуры с положитель-
408
Глава 1
Cl
Угз
&Qf)'
V" С~У-кридяя
- О +
-V
Л Угв
f'Идеальная
С~ V- кривая
О +
V
а
Рис. 23. Сдвиг С - К-кривых вдоль оси напряжений, обусловленный
положительным или отрицательным фиксированным зарядом окисла [7]. а - для
полупроводника p-типа; б - для полупроводника п-типа.
ным Qf при отрицательном напряжении смещения. Для полной
электронейтральности структуры необходимо, чтобы каждый отрицательный
заряд на ее металлическом электроде компенсировался равным по величине и
противоположным по знаку зарядом в диэлектрике или в полупроводнике. В
идеальной МДП-структуре Qf = 0, и эта компенсация осуществляется только
за счет заряда ионизированных доноров в обедненном слое полупроводника. В
реальной МОП-структуре с положительным Qf часть зарядов на металлическом
электроде компенсируется фиксированным за-
Рис. 24. Влияние фиксированного заряда окисла на свойства МДП-структур
[24].
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 409
рядом окисла, что естественно приводит к соответствующему уменьшению
глубины области обеднения по сравнению с идеальной МДП-структур ой при
том же напряжении смещения. Этот результат проиллюстрирован на рис. 24,
где показано, что часть силовых линий электрического поля замыкается на
фиксированном заряде Qf. Так как глубина области обеднения уменьшается,
емкость МОП-структуры увеличивается, и, следовательно, вся С - У-кривая
сдвигается по отношению к идеальной в сторону отрицательных напряжений.
При отрицательных Qf С - ]/-кри-вая сдвигается в противоположном
направлении. Абсолютная величина этого сдвига
Как впервые установлено в работе [30], присутствие ионов щелочных
металлов, таких, как натрий, в термически выращенном Si02 является
основной причиной нестабильности характеристик полупроводниковых
приборов, пассивированных с помощью окисления. Ионы щелочных металлов
влияют также и на надежность работы полупроводниковых приборов при
повышенных температурах и напряжениях, поскольку в этих условиях ионы
могут передвигаться в слое диэлектрика, что приводит к нежелательным
изменениям характеристик приборов (например, сдвигу пороговых
напряжений).
На рис. 25 приведено распределение ионов натрия в слое Si02 (штриховая
кривая), установившееся в результате термополевого дрейфа [31 ]. В этой
структуре исходная толщина слоя окисла составляла 5400 А, а концентрация
акцепторов в кремнии 5 X X 1014 см-3. Отметим, что концентрация ионов
натрия на границе раздела довольно велика (З Ю17 см"3). Это приводит к
большому сдвигу напряжения плоских зон и нестабильности характеристик. По
закону Гаусса сдвиг напряжения плоских зон, обусловленный зарядом
подвижных ионов, составляет
где Qm - эффективный заряд подвижных ионов, приходящийся на единицу
площади границы раздела, а рт (х) [Кл-см-3] - объемная плотность заряда
подвижных ионов. На рис. 25 приведены профили концентрации, полученные в
процессе диффузии натрия в пленках нитрида кремния [32] с различными
размерами кристаллитов. Отметим, что наиболее устойчивым по отношению к
проникновению ионов натрия оказывается аморфный Si3N4.
