Основні властивості диоксиду кремнію та меж розділу з напівпровідником та металом

1.2.     Основні властивості диоксиду кремнію та меж розділу з напівпровідником та металом.

У літературі щодо властивостей кремнію наводяться різні конкретні значення величин параметрів, що характеризують властивостей оксидів кремнію. Очевидно, що ці залежать від експериментальних умов вирощування оксиду. Наприклад. Коефіцієнт заломлення плівок оксиду, вирощеного в сухому кисні, зменшується із збільшенням температури, досягаючи постійного значення 1.4620 при температурі вище 1190 °С. Швидкість травлення термічних оксидів при кімнатній температурі в HF (4.9%) складає 100 нм/хв і змінюється залежно від температури та концентрації травника. Крім того, швидкість травлення залежить від густини оксиду та від температури окислення.

В тонких оксидних плівках значно впливає на властивості окислу межа розділу фаз.

Здатність шару SiO₂ служити локальним маскуючим покриттям при дифузії атомів легуючої домішки при підвищених температурах – дуже корисна властивість для технології формування ІС. В процесі маскування поверхні кремнію від дифузії домішки, оксид перетворюється в склоподібну фазу – так зване домішковосилікатне скло.

Значення дифузійних констант для різних легуючих домішок в SiO₂ від концентрації домішок, властивостей та структури SiO₂.

Найчастіше для створення в кремнію областей з провідністю n-типу застосовують Р, Sb та As, а для формування області з провідністю р-типу – В. ці домішки мають малі коефіцієнти дифузії в оксиді, тому оксид може застосовуватись для маскуванні при дифузії домішки в кремнію. Що стосується галію та алюмінію, то при їх використанні застосовувати окисел кремнію для маскування не можна. Найчастіше плівки оксиду, що використовують для маскування традиційних домішок в стандартних технологічних процесах формування напівпровідникових приладів, мають товщину 0.5-0.7 мкм.

1.2.1.  Заряд в окислі.

Межа розділу Si-SiO₂ є перехідною областю між кристалічним кремнієм і аморфним кварцевим склом, як щодо положення атомів, так і щодо стехіометрії. Різні за природою заряди та пастки носіїв супроводжують термічно окислений кремній, частина з них зв’язана з перехідною областю. Заряд на межі розділу може індукувати заряд протилежної полярності в розташованій під нею області кремнію, впливаючи на і деальність характеристик МОН-приладу та цим самим на вихід якісних виробів і їх надійність.

На рис. 1.4. показані основні види зарядів, зв’язаних з оксидом. Вони записуються:

N=Q/q,

де Q(Кл/см²) – результуючий ефективний заряд на одиницю площі на межі розділу – Si-SiO₂; N (см^-2) – результуюче число зарядів на одиницю площі на межі розділу Si-SiO₂; q – заряд електрона.

Заряд поверхневих станів - це заряд електронних станів, що локалізовані на границі розділу SI-SiO₂  і енергія яких лежить в глибині забороненої зони напівпровідника. Ці поверхневі стани (їх називають також швидкими) можуть досить швидко перезаряджатися, обмінюючись електронами (дірками) з кремнієм. Поверхневі стани зумовлені надлишковими атомами кремнію, надлишковим киснем або домішковими атомами. Основною причиною виникнення цих станів є те, що сама межа розділу є порушенням просторової періодичності кристалічної решітки. В сучасних МОН-структурах, які отриму­ють шляхом термічного окислення кремнію, більша частина поверхневого заряду ней­тралізується в процесі низькотемпературного відпалу (450 °С) в атмосфері водню. В кращих зразках величина N_it не перевищує 10¹⁰ см^-2, що відповідає одному захопленому заряду на кожні 10⁵ атомів межі розділу.

Поверхневі стани вважаються донорними, якщо, віддаючи електрон, вони стають нейтральними або позитивно зарядженими. Акцепторними називають поверхневі стани, які стають нейтральними або негативно зарядженими, захоплюючи електрон.

Еквівалентна електрична схема МОН-структури, що враховує вплив поверхне­ва станів, показана на рис.2.2.

На цьому малюнку С_i і С_d ємності ізолятора та збідненого шару напівпровідника. Еквівалентна ємність С_s, і еквівалентний опір R_s, залежать від поверхневого потенціалу і описують перезарядку поверхневих станів. Добуток С_sR_s, визначає час релаксації заповнення поверхневих пасток та залежність процесу перезарядки поверхневих станів. Па­ралельні гілки електричної схеми на рис. 2.2 можна показати в вигляді залежної від частоти еквівалентної ємності:

C_p=C_d+C_s/(1+wt²),t

 включеної паралельно з провідністю:

C_p/w= C_swt/(1+w²t²),

де t=С_sR_s.

Активна та реактивна складові повної комплексної провідності еквівалентах схем, показаних на рис. 2.2 :

Y_ig=G_in+jw×C_in,

 визначаються виразами:

G_in=w²C_stC_i²/[C_i+C_d+C_s)²+w²t²(C_i+w²t²(C_i+C_d)²],

C_in=C_i{C_d+C_s[(C_i+C_d+C_s)²+w²t²C_d(Ci+C_d)]/[( C_i+C_d+C_s)²+ w²t²C_d(Ci+C_d)]}/

[(C_i+C_d+C_s)…

Для визначення величини заряду, захопленого на поверхневі пастки, можна використовувати вимірювання вхідної ємності МДН-структури та вимірювання ЇЇ вхідної провідності. Метод провідності дозволяє точніше визначати густину поверхневих станів. Це особливо важливо при дослідженні МОН-структур з відносно малою (~10¹⁰ см^-2еВ^-1) густиною поверхневих станів. Перевага ємнісних методів полягає в тому, що з їх допо-

могою можна порівняно легко визначити зсув напруги плоских зон та величину повного захопленого заряду О_it.

На рис. 2.2 проілюстроване витягування С-V-характеристики МОН-структури за рахунок поверхневого захопленого заряду. При високих частотах (wt>>1) заряд на по­верхневих станах не встигає за змінами тестуючої напруги. В цьому випадку вираз для значення С набуде вигляду:

С=С_i×C_d/( С_i+C_d) (Ф/см²).

Високочастотна вольт-фарадна залежність МОН-структури, в яку не входить

ємність поверхневих станів С_s зображена на рис.2.2 штриховою лінією. Але і в цьому ви­падку поверхневі стани впливають на форму вольт-фарадної характеристики, зсовуючи ї вздовж осі напруг. При наявності зв'язаного поверхневого заряду вимагається відповідне збільшення заряду на металі.

По формі високочастотної вольт-фарадної залежності густина поверхневих станів визначаеться за допомогою виразу:

D_it=C_i[(dB_s/dV)^-1-1]/q-C_d/q (см/еВ)

Фіксований заряд в окислі Q_f (звичайно додатній) розміщений на відстані ~3 нм від межі розділу Si-SiO₂. Він не може збільшуватись або зменшуватись. Густина його знаходитьcя в діапазоні від 10¹⁰ до 10¹² см^-2 та залежить від режиму окислення і умов відпалу, а також від орієнтації підкладки. Виникнення Q_f пов'язане безпосередньо з самим процесом окислення.

Рис. 1.2.3. Зміна С-V-кривих під впливом заряджених поверхневих станів.

Рис. 1.2.4. Зсув С-V-кривих вздовж осі напруг, зумовлений

додатнім або від'ємним фіксованим зарядом оксиду:

а) для напівпровідника р-типу;

б) для напівпровідника n-типу.

Припускається, що фіксований заряд Q_f зумовлений або надлишковим (тривалентним) кремнієм, або надлишковим (не зв'язаним із загубленим одним електроном) киснем в приповерхневому шарі SiO₂ . При аналізі електричних характеристик МОН-структур фіксований заряд Q_f можна розглядати як заряджений шар, локалізований на межі розділу Si-SiO₂.

На рис.1.2.4 приведені високочастотні вольт-фарадні залежності, зсунуті вздовж осі напруг в результаті наявності додатнього або від'ємного фіксованого заряду Q_f на межі розділу. Положення цих кривих характеризує так званий зсув напруги плоских зон, визначеннй по відношенню до С-V -характеристики ідеальної МДН-структури з Q_f =0.

Незалежно від типу провідності підкладки позитивний заряд Q_f зсуває С-V-характеристику в бік від'ємних напруг зміщення, а від'ємний заряд Q_f - в бік додатніх.

Характер впливу фіксованого заряду Q_f на С - V -характеристики можна легко пояснити за допомогою рис. 1.2.5., де умовно показаний "поперечний переріз" МОН-структури з позитивним Q_f при негативній напрузі зміщення.

Для повної електронейтральності структури необхідно, щоб кожний від'ємний заряд на ії металічному електроді компенсувався рівним за величиною та протилежним за знаком зарядом в діелектрику або в напівпровіднику. В ідеальній МДН-структурі Q_f = О, та ця компенсація здійснюється тільки за рахунок заряду іонізованих донорів в збідненому шарі напівпровідника. В реальній МОН-структурі з позитивним Q_f частина зарядів на металічному електроді компенсується фіксованим зарядом окисла, що приводить до відповідного зменшення глибини області збіднення в порівнянні з ідеальною.

МДН-структурою при цій же напрузі зміщення. Оскільки глибина області збіднення зменшується, вся С - V -крива зсувається по відношенню до ідеальної в бік від'ємних напруг при від'ємних Q_f С -V - в протилежному напрямку. Абсолютна величина цього зсуву:

D V_f=Q_f/C_i.

Заряд, захоплений в шарі окислу, Q_0t, приводить до зсуву С-V-характсристик МОН-структур. Цей заряд зумовлений структурними дефектами в шарі окислу. Пастки в окислі, як правило, нейтральні, але можуть заряджатися, захоплюючи електрони та дірки. На рис. 1.2.6 зображена зонна діаграма розподілу заряду, електричного поля та потенціалу в МОН-структурі, що містить як фісований заряд, так і заряд, захоплений в окислі. Зсув напруги, зумовлений зарядом, захопленим в окислі, записується у вигляді:

DV_0t=Q_0t/C_i=1/ C_i[1/dxr_0t(x)dx],

Рис. 1.2.5. Вплив фіксованого заряду окислу на властавості МДН-структур.

Рис. 1.2.6. МДН-структура з фіксованимта захопленим в оксиді зарядами:

а) зонна діаграма;

б) розподіл заряду;

в) електричне поле;

г) потенціал.

Де Q_0t - ефективна поверхнева густина цього заряду, приведена до одиниці площі межі розподілу Si-SiO₂; r_0t - істинна об'ємна густина заряду, захопленого в окислі.

Результуючий зсув напруги плоских зон DV_fb, зумовлений всіма компонентами зарфду в окислі:

DV_fb=DV_f+DV_m+DV_0t=Q₀/C_i,

де Q₀= Q_f+ Q_m+ Q_0t - сума відповідних ефективних зарядів на одиницю площі роз­поділу Si-SiO₂.

В ідеальній МДН-структурі різниця роботи виходу електрона з металу і напівпровідника дорівнює 0:

 j_ms=j_m-(x+E_g/2q-y_b).

Якщо ця різниця відмінна від 0, а крім того, в діелектрику МДН-структури присутній заряд Q₀, С-V-характеристики реальної МДН-структури будуть зсунуті вздовж осі напруг відносно ідеальної С -V -кривої на величину:

V_fb=j_ms- Q₀/С_i=j_ms-( Q_f+ Q_m+ Q_0t)/C_i,

що називається зсувом напруги плоских зон.

Встановлено, що ширина забороненої зони SiO₂ приблизно дорівнює 9 еВ, а спорідненість до електрону qX_i=0.9 еВ. Робота виходу з металу в МОН-структурах |звичайно визначається за результатами фотовідклику або вольт-фарадних характерик.

Висота енергетичного бар'єру на межі Si-SiO₂ практично не залежить від кристалічної орієнтації підкладки (в межах похибки 0.1еВ)

Різниця робіт виходу ms може складати відчутну міру спостережуваного зсуву напруг плоских зон МОН-структури, і тому її необхідно враховувати при оцінках величини фіксованого заряду окисла за зсувом С-V -характеристик.

Похожие работы

Фізичні основи роботи комп’ютера

Скачать

191192

6

39

... принтера також містить різні мови опису даних (Adobe PostScript, PCL і тощо.). Ці мови знову ж таки призначені для того, щоб забрати частину роботи у комп'ютера і передати її принтеру. Розглянемо фізичний принцип дії окремих компонентів лазерного принтера. 2.5.29 Фотобарабан Як вже писалося вище, найважливішим конструктивним елементом лазерного принтера є фотобарабан, що обертається, за ...

Процес ручного дугового зварювання

Скачать

67249

2

1

... а все обладнання кабіни - надійно заземлене. Пересувні пости використовують при зварюванні великих виробів безпосередньо на виробничих ділянках. Розділ 2.Основна частина 2.1 Опис технологічного процесу ручного дугового зварювання В основі будь-якого промислового виробництва лежить технологічний процес, який є частиною виробничого процесу. Виробничий процес – це сукупність технологічних ...

Загальна характеристика напівпровідникових матеріалів

Скачать

40780

0

4

... ією носіїв заряду, що забезпечують велику холівську напругу. Для виготовлення магнітоелектричних приладів використають арсенід індію й телурид ртуті. Термоелектричні прилади виготовляють із напівпровідникових матеріалів, що забезпечують максимальний коефіцієнт ефективності, тобто які мають високу і низьку теплопровідність. Такими властивостями володіють антимонід цинку телурид і селенід вісмуту ...