CC BY
65
А.А.Насиров
ПЛОТНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИК-СТЕКЛО
Национальный университет имени М. Улугбека,
Вузгородок, г. Ташкент, 100174, Республика Узбекистан, [email protected]
Структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДІ 1-структуры) на основе кремния широко используются в современных полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах. Тенденцией дальнейшего развития микроэлектроники являются повышение функциональной сложности микросхем и увеличение плотности упаковки отдельных структурных элементов. При этом стабильное и надежное функционирование таких приборов и микросхем зависит не только от технологических возможностей, оно определяется в первую очередь физическими процессами, происходящими в приповерхностных слоях полупроводника и на межфазных границах различных материалов, входящих в состав МДП-структур. Основной контролируемый параметр таких структур - энергетический спектр распределения плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника [1].
Для определения спектра распределения плотности поверхностных состояний Nss по ширине запрещенной зоны полупроводника наиболее часто используется метод высокочастотных вольт-фарадных (C-V) характеристик [2-5]. Метод основан на сравнении теоретической вольт-фарадной характеристики идеальной (без поверхностных состояний) МДП-структуры с экспериментальной характеристикой реальной структуры с последующим дифференцированием результата сравнения [2]. Давая достаточно точную информацию об «интегральной» плотности поверхностных состояний, рассматриваемый метод обладает существенной погрешностью при определении распределения dNss/dE по ширине запрещенной зоны полупроводника, обусловленной операцией графического (или численного) дифференцирования разности двух близких C-V-зависимостей [2]. В [6] описан метод определения распределения dNss/dys (где - поверхностный потенциал), исключающий операцию
графического дифференцирования зависимости Nss(E) (где Е - ширина запрещенной зоны полупроводника). Существенный недостаток метода [6] - сложность расчетных соотношений, что связано с использованием теории поверхностного заряда, развитой в [7], и необходимостью предварительного построения зависимостей R(ys), Ф(уя) [6].
Здесь предлагается метод определения спектра распределения плотности поверхностного заряда по ширине запрещенной зоны полупроводника, свободный от указанных недостатков.
Для получения расчетных соотношений воспользуемся выражением (2) работы [4], описывающим падение напряжения на идеальной МДІ 1-структуре как функцию безразмерного поверхностного потенциала у. Прибавив к рассмотренному выражению падение напряжения AV на поверхностных состояниях Nss, получим полное падение напряжения на реальной МДП-структуре. Продифференцировав это соотношение по у, с помощью выражения (1) работы [4] и известного соотношения Nss=C0AV/Sq (где С0 - емкость диэлектрического слоя, S - площадь структуры, q - заряд электрона), запишем
SqdNss dV s1 kT л kT C0 dy dy sC0 q q
(1)
где є, s1 - диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика соответственно, Т - температура, С(у) - емкость МДП-структуры как функция поверхностного потенциала.
Подставив в (1) зависимость dV/dy, полученную из выражения (2) работы [4],
dV
dy
C
dV
1 f
1
V
\ 2
A| dC(y)
С0) dy
(2)
© Насиров А.А., Электронная обработка материалов, 2008, № 4, С. 102-104.
102
где Сэ - экспериментально измеренная высокочастотная емкость МДП-структуры, получим выражение, описывающее изменение поверхностного заряда при изменении поверхностного потенциала. Далее, воспользовавшись связью между поверхностным потенциалом, квазиуровнем Ферми и изгибом зон энергии полупроводника, найдем
dNss
dE
C0
SkT
C С
dC / dV
(
АСэ kT
\
С
- + -
q
+-
С С
э1
dC / dV
1 -
BC,2 ^ С2
4 J
1
ey -1
J
(3)
здесь
C F kT
C1 = 1 ^, А = аЬ-— , B
c0 fC0 q
kT
ffonm (qS)2 ’
где NM - концентрация примеси в полупроводнике, s0 - диэлектрическая постоянная.
Из выражения (3) видно, что спектр плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника Е можно определить, непосредственно используя экспериментальные
С
значения C,; dCJdV; V; Т. Значение у, входящее в (3), находится из равенства —
С
теор
С_
С
эксп
Проверка полученных соотношений проводилась на тестовых МДП-структурах, изготовленных путем нанесения свинцово-боросиликатного (СБС) стекла на подложку кремния «-типа, полученного методом бестигельной зонной плавки, с кристаллографической ориентацией (111). Состав стекла: SiO2 - 32,9 %, PbO - 49%, B2O3 - 15%, Al2O3 - 2,1%, Ta2O5 - 1%, содержание оксидов
щелочных металлов (O и NaO) составляет менее 0,01%. Электрофизические характеристики
СБС стекла и способ его нанесения на кремниевую подложку аналогичны описанным в [8]. Температура формирования границы раздела Si-стекло составляла 700°С. Площадь управляющего электрода полученных структур составляла 0,01 см2. Толщина слоя диэлектрика, определенная по емкости МДП-структур в режиме обогащения, равнялась (2±0,1)-10"4см.
На рисунке приведены спектры dNss/dE для исследуемых МДП-структур, полученные согласно методам [2] (кривая 1), [6] (кривая 3), и методу, предложенному в данной работе (кривая 2).
Распределение dNss/dE для МДП-структуры типа Al-СБС стекло-n-Si, построенное по предлагаемой методике (2), согласно методам [2] (1) и [6] (3)
Из сравнения полученных распределений dNss/dE по ширине запрещенной зоны кремния (см. рисунок) видно, что распределение 2, построенное при помощи выражения (3), совпадает с кривой 3 во всем энергетическом интервале и является более «гладким» по сравнению с
103
распределением 1. В распределении 2 отсутствует разброс значений dNss/dE, обусловленный погрешностью графического дифференцирования и воспринимаемый в виде отдельных пиков распределения dNss/dE. Следовательно, метод электрического дифференцирования с использованием выражения (3) для определения распределения плотности поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника менее трудоемок по сравнению с [6] и более точен и однозначен по сравнению с [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Nicollian E.H., Brews J.R. MOS physics and technology. Wiley. N.Y. 1982. P. 900.
2. Terman L. M. An investigation of surface state at silicon / silicon oxide interface employing metal - Oxide - Silicon diodes // Sol. St. Electron. 1962. V. 5. № 2. P. 285-299.
3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х т. М.: Мир.1984. Кн.1. 456 с.
4. Власов С.И., Зайнабидинов С.З., Каримов И.Н. Определение плотности поверхностного заряда на границе раздела полупроводник-диэлектрик // ДАН УзССР. 1985. № 4. С. 28-30.
5. Власов С.И. Эффекты влияния приповерхностных глубоких центров на параметры переходных слоев полупроводник-диэлектрик.: Автореф. дис. док. физ.-мат. наук. Л.: ФТИ, 1991.
6. Gorban A.P., Litovchenko V.G. Investigation of the fast surface state spectrum of MIS structures by a differential C - V method // Phys. St. Sol.(a). 1972. V.10. № 1. Р. 289-296.
7. Garrett C.G.B., Brattain W.H. Physical theory of semiconductor surfaces // Phys.Rev. 1955. V.99. № 2. P. 375-387.
8. Парчинский П.Б., Власов С.И., Насиров А.А. Исследование медленно релаксирующего заряда в пассивирующих покрытиях на основе свинцово-боросиликатных стекол методом изотермической релаксации емкости // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. № 18. С. 65-70.
Поступила 14.02.08
Summary
The method of determination of surface state density at semiconductor-glass interface of MIS-structure is offered. It is shown, that the method of differentiation of C-V-dependence is more exact and unequivocal, and also less labour-intensive in comparison with known methods.
104
