Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
относительно идеальной С - V-кривой на величину
VFB = фт, ~ = Фт" ~ °J±3ct + ' (49>
которая называется сдвигом напряжения плоских зон. (Для простоты мы не
учитывали заряд, захваченный на поверхностных состояниях.) Если по каким-
либо причинам можно пренебречь величиной заряда подвижных ионов и
зарядом, захваченным на объемных ловушках диэлектрика, выражение (49)
упрощается и принимает вид
Vfb~ фт5 §7* (49а)
Энергетическая зонная диаграмма границы раздела Si - Si02 была определена
по результатам измерений фотоэмиссии электронов [37]. Установлено, что
ширина запрещенной зоны Si02 примерно равна 9 эВ, а сродство к электрону
q%i = 0,9 эВ. Работа выхода из металла в МОП-структурах обычно
определяется по результатам измерений фотоотклика или вольт-фарадных
характеристик. На рис. 27 приведены экспериментальные зависимости
фотоотклика, МОП-структур с электродами из различных металлов от энергии
возбуждающих фотонов [38]. По оси ординат здесь отложен корень кубический
из фотоотклика в произвольных единицах. Пересечение этих прямых с осью
абсцисс определяет величину энергетического барьера qyB между металлом и
Si02.
2,0 2,3 3,0 3,5- 4,0
hi), зВ
Рис. 27. Зависимость фотоотклика МОП-структур с различными металлическими
электродами от энергии фотонов. На вставке приведены соответствующие С -
F-кривые [38].
Следовательно, работа выхода из металла равна сумме ц>в -f-+ Хь где X; -
сродство к электрону в окисле (рис. 2). Подобные результаты получаются
также из анализа вольт-фарадных характеристик серии экспериментальных
МОП-структур с одинаковыми параметрами окисного слоя и подложки,
различающихся лишь материалом полевого электрода (вставка на рис. 27).
Как следует из уравнения (49), С - V характеристики таких МОП-структур
должны быть сдвинуты относительно друг друга на величину, равную разности
работ выхода из соответствующих металлов: ф/ni - Фт2 = Фв1 - Фвг-
Поэтому, если работа выхода'электрона для одного из металлов известна, по
сдвигу С - V-кривых можно определить абсолютные значения срт для всех
остальных металлов.
Экспериментальные значения срт для ряда металлов, определенные указанными
методами, приведены в табл. 3, где указаны также работы выхода из
соответствующих металлов в вакуум. Отметим совпадение значений <рт,
определенных вольт-фарадным и фотоэмиссионным методами, и заметное
отличие этих значений от работы выхода электрона в вакуум. Последнее не
является неожиданным, если учесть поликристалличность металлических
пленок, нанесенных в качестве полевого электрода на слой окисла МОП-
структуры, а также и то, что условия на границе раздела металл - окисел
довольно сильно отличаются от условий на границе монокристаллический
металл - вакуум при измерениях "вакуумной" работы выхода электрона. С
помощью рассмотренных выше экспериментальных методов было также
установлено, что
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
415
Таблица 3. Работа выхода металлов
Металл <рт (по С - У-кри-вым), В Фт (по фотоотклику), в Фт (работа
выхода в вакуум), в
Mg 3,35 3,15 3,7
А1 4,1 1 4,1 4,25
Ni 4,55 4,6 4,5
Си 4,7 4,7 4,25
Аи 5,0 5,0 4,8
Ag 5,1 5,05 4,3
1 Это значение срт для А1 является суммой высоты барьера (3.2 В) и
сродства к электрону в Si02 (0,9 В).
высота энергетического барьера на границе кремний - двуокись кремния
практически не зависит от кристаллической ориентации подложки (в пределах
погрешности 0,1 эВ).
Из приведенных выше результатов следует, что разность работ выхода фт
может составлять заметную долю наблюдаемого сдвига напряжения плоских зон
МОП-структуры, и, таким образом, ее необходимо учитывать (см. уравнение
(49)) при оценках величины фиксированного заряда окисла по сдвигу С - У-
характеристик. В качестве примера на рис. 28, а приведена зонная
диаграмма МОП-структуры с алюминиевым полевым электродом и окислом
толщиной 500 А, термически выращенным на кремниевой подложке л-типа (Nd
*** 1016 см"3). В этом случае фт =4,1 В, работа выхода из полупроводника
% -f Eg!2q - фв = 4,35 В и, следовательно, разность работ выхода фтв =
4,1 - 4,35 = -0,25 В.
При изготовлении современных интегральных схем в качестве затворного
электрода широко применяются пленки сильнолегированного поликремния. Для
поликремниевых затворов я+-типа, где уровень Ферми практически совпадает
с положением дна зоны проводимости, эффективная работа выхода фт равна
величине сродства к электрону в кремнии (xsi = 4,15 В). В поликремни-евых
затворах р+-типа, где уровень Ферми лежит "у потолка валентной зоны,
эффективная работа выхода фот = %Si + EJq = = 5,25 В.
На рис. 28, б приведена зависимость разности работ выхода фт8 от уровня
легирования кремниевой подложки для МОП-структур с затворными электродами
из AI, Au и поликремния п+- и р+-типа [38, 39]. Из этих графиков следует,
что в зависимости от материала затвора при нулевом напряжении смещения
приповерхностная область полупроводника МОП-структуры может оказаться
практически в любом состоянии (от аккумуляции до инверсии).
