CC BY
44
С.И. Власов, А.В. Овсянников
СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПО ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИК-СТЕКЛО
Национальный университет Узбекистана им. М. Улугбека,
Студенческий городок, 700174, г. Ташкент, Республика Узбекистан, [email protected]
Межфазная граница раздела полупроводник-диэлектрик является составной частью большинства современных полупроводниковых приборов. Для изучения генерационно-рекомбинационных свойств межфазных границ наиболее часто используется методика изотермической релаксации емкости структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) в ходе формирования заряда инверсионного слоя [1]. Эта методика основана на регистрации изменения емкости структуры МДП, к которой подается постоянное инверсионное напряжение V1, после приложения к ней импульса напряжения V2, соответствующего увеличению заряда инверсионного слоя V2 > V1. Для описания процесса изменения емкости структуры МДП во времени используется соотношение
где С(0 - мгновенное значение измеряемой емкости, Cd - емкость слоя диэлектрика, Сх— емкость структуры в конце процесса релаксации, Nm — концентрация примеси в полупроводнике, nt — концентрация примеси в собственном полупроводнике, т - время жизни термически генерированных носителей заряда, S — скорость поверхностной генерации, в - диэлектрическая проницаемость полупроводника, 80 - электрическая постоянная [2]. При выводе соотношения (1) автором работы [2] принималось, что скорость поверхностной генерации есть величина постоянная и, следовательно, в процессе релаксации емкости ее значение не изменяется.
Увеличение величины импульса напряжения, прикладываемого к структуре, приводит к изменению искривления энергетических зонных диаграмм. При этом часть заполненных электронами поверхностных состояний оказывается выше уровня Ферми в случае полупроводника n-типа проводимости (см. рис. 1). Процесс термической генерации приводит к высвобождению электронов и изменению заряда поверхностных состояний. В процессе термической ионизации сначала высвобождаются электроны с той части поверхностных состояний, которая имеет более высокое значение энергии, то есть расположенная ближе к зоне проводимости. Затем последовательно высвобождаются электроны с более глубокой части поверхностных состояний. Если плотность поверхностных состояний в рассматриваемом энергетическом интервале (ДЕ, рис. 1) распределена равномерно, то число электронов, генерированных в единицу времени, также является постоянным. Следовательно, скорость поверхностной генерации в данном случае также является величиной постоянной. Однако распределение поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника, как правило, имеет достаточно сложную форму [3-5]. Если импульсное увеличение напряжения соответствует энергетическому участку с неоднородным распределением плотности поверхностных состояний, то скорость поверхностной генерации явится функцией времени. Более того, при переключении напряжения V1 ^ V2 , соответствующего инверсии поверхностной проводимости, в первый момент времени имеет место расширение слоя объемного заряда полупроводника от W2 до W1 (см. рис. 1). В дальнейшем, по мере объемной и поверхностной термической генерации, происходит накопление неосновных носителей заряда в полупроводнике, вблизи границы раздела полупроводник-диэлектрик, то есть увеличение заряда инверсионного слоя. Увеличение заряда инверсионного слоя приводит к экранированию электрического поля, проникающего в полупроводник, и толщина слоя объемного заряда полупроводника уменьшается от W1 до W2 . При этом за счет уменьшения напряженности электрического поля происходит уменьшение искривления энергетических зонных диаграмм, и часть поверхностных состояний, локализованных в энергетическом промежутке ДЕ, заполняется электрона© Власов С.И., Овсянников А.В., Электронная обработка материалов, 2008, № 1, С. 91-94.
C 3(t) dt
1
(1)
91
ми. Следовательно, в процессе релаксации емкости структуры МДП скорость поверхностной генера-
Рис.1. Модель энергетической зонной диаграммы структуры МДП с указанием энергетической области перезаряжающихся поверхностных состояний
Для подтверждения сказанного при помощи метода [2] измерена C(t) зависимость для структур Al-n-Si-стекло - Al. Использовалось свинцово-боро-силикатное стекло следующего масс-процентного состава: SiO2 -33; PbO - 40; B2O3 - 24; Al2O3 - 2; Ta2O3 - 1.Оплавление исходной шихты проводилось на пластины Si (КЭФ-15 с кристаллографической ориентацией <100>) при температуре 700 0С в течение 30 минут с последующим отжигом при температуре 400 0С в течение 10 минут.
Измерения релаксационных зависимостей проводились в темноте на частоте 150 кГц при температуре Т = - 500С после переключения напряжения 4 ^ 18 В. Полученные зависимости, одна из которых приведена на рис. 3 (кривая 1), обрабатывались при помощи соотношения (1). На рис. 2 приведена одна из полученных зависимостей, откуда в предположении постоянства скорости поверхностной генерации в соответствии с методикой [2] находилось значение скорости поверхностной генерации S = 55 см/с.
Рис. 2. Экспериментальные значения СД для одной из структур МДП, построенные при помощи выражения (1)
92
Далее, используя начальные условия релаксационной зависимости C(t) и значение емкости структуры в первый момент релаксации, решаем уравнение (1) относительно времени:
t = B-CC In (С) + in (вс - вс,-ACC,)-)+n,
где A =
Sn
в = ■ n
CdNm^0 CdNmT
; n - постоянная интегрирования, равная
(2)
П
B AC,) in(C) + (AC" B) in(BCn -BC, - ACC,) + —
B C
B C
BCn
(3)
Используя соотношения (1)-(3) и экспериментально определенные значения C(t), Cd, С,, Nm, S и т, находим расчетную зависимость t = t (C/C,) в предположении постоянства во времени скорости поверхностной генерации S и сравниваем ее с экспериментальной зависимостью. На рис. 3 приведены экспериментальная (кривая 1) и расчетные (кривая 2, 3) зависимости релаксации емкости (нормированной к величине стационарной емкости C,) структуры МДП. Видно, что указанные зависимости совпадают друг с другом лишь на начальном участке релаксационной кривой. Используя метод оптимального подбора параметров и экспериментальную зависимость релаксации емкости структуры МДП при фиксированной температуре, найдена эмпирическая зависимость скорости поверхностной генерации от времени в течение всего процесса релаксации. Найденную зависимость можно аппроксимировать при помощи численных методов обработки следующим выражением:
S = S0 [0,5 - 0,3 Arctg (t)],
(4)
где S0 - скорость поверхностной генерации в начальный момент времени.
Рис. 3. Экспериментальная (1) и расчетные (2,3) зависимости темновой релаксации емкости структуры МДП в процессе увеличения заряда инверсионного слоя после переключения напряжения от 4 до 18 В
Сравнение расчетной зависимости t = t(C/C,) в предположении временной зависимости скорости поверхностной генерации S, описываемой выражением (4) (кривая 3 на рис. 3), с экспериментальной зависимостью (кривая 1) показало значительное совпадение обеих зависимостей.
На основании приведенных данных можно сделать вывод о том, что в структурах МДП, изготовленных на основе кремния n-типа проводимости, покрытого слоем свинцово-боро-силикатного стекла, скорость поверхностной генерации является функцией времени, которая приближенно описывается соотношением (4).
93
ЛИТЕРАТУРА
1. Kang J.S., SchroderD.K. The Pulsed MIS Capacitor // Phys. Stat. Sol. (a). 1985. 89, 13. P. 13-43.
2. Zerbst M. Ralaxation effects on holbeiter isolator-grenzflochen // Z. Angew. Phys. 1962. № 30. P. 22-29.
3. Парчинский П.Б., Власов С.И., Насиров А.А. Влияние у-облучения на характеристики границы раздела кремний-свинцово-боро-силикатное стекло // Физика и техника полупроводников. 2004. Т.38. Вып.11. С. 1345-1348.
4. Парчинский П. Б. Влияние ультразвуковой обработки на плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний-диоксид кремния, облученной у-квантами // Микроэлектроника. 2005. Т. 34. № 6. С. 420-423.
5. Берман Л. С. Анализ временной нестабильности параметров границы раздела диэлектрик-соединение А3В5 методом изотермической релаксации емкости // Физика и техника полупроводников. 1977. Т. 31. № 1. С. 78-81.
Summary
Поступила 28.08.07
It is offered the method for determining of time-dependence of surface generation velocity on semiconductor-dielectric interface. It is shown that surface generation velocity is a time function in MDS-structures of n-Si covered by the lead-boron-silicate glass.
94
