Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техника и методика экспериментов 21
1.1 Компьютеризированная измерительная установка 21
1.2 Исследования кинетики ионной поляризации и деполяризации подзатворного окисла 24
1.3 Прецизионное определение нормированной квазиравновесной вольтфарадной характеристики МОП-структуры 28
1.4 Определение абсолютной величины поверхностного потенциала полупроводника по квазиравновесным вольтфарадным характеристикам МОП-структур 42
1.5 Наблюдения кинетики генерации неосновных носителей заряда
и туннельной проводимости окисла в Si-МОП-структурах 56
Глава 2. Ионный транспорт в окисле Si-МОП-структур и эффекты электронно-ионного взаимодействия у гетерограницы Si/Si02 58
2.1 Состояние проблемы 58
2.2 Определение характеристик ионного транспорта в окисле по динамическим В АХ Si-МОП-структур 70
2.3 Проявления электронно-ионного взаимодействия у гетерограни- 4biSi/Sto2 82
Глава 3. Влияние ионной поляризации окисла на характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором 116
3.1 Увеличение эффективной подвижности электронов в инверсионном канале Si-МОП-транзистора при ионной поляризации подзатворного окисла 117
3.2 Самоорганизация характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором посредством спонтанной ионной поляризации окисла .. 124
Глава 4. Формирование у поверхности полупроводника наномасштабного размерно-квантующего потенциального рельефа посредством ионной или электронно-инжекционной поляризации окисла МОП-структур 131
Глава 5. Изотермическая генерация неосновных носителей заряда у планарно-неоднороднои границы раздела Si/Si02 138
5.1 Базовые каналы генерации неосновных носителей заряда у гете-рограницы полупроводник-диэлектрик 138
5.2 Влияние электрической неоднородности гетерограницы Si02/Si на темп генерации неосновных носителей заряда 139
5.3 Особенности генерации неосновных носителей заряда через пограничные состояни 144
5.4 Исследования генерации неосновных носителей заряда в Si- МОП-структурах на ступенчатых сигналах напряжения 151
Глава 6. Туннельная проводимость тонких и сверхтонких окислов на поверхности Si 163
6.1 Проявление туннельной проводимости тонкого подзатворного окисла в кинетике генерации неосновных носителей заряда в МОП-структурах 167
6.2 Реконструкция зависимостей туннельного тока от падения напряжения на сверхтонком окисле по вольтамперным и вольтфарадным характеристикам структур n+-Si-Si02-n-Si 180
Заключение 201
Литература 206
- Прецизионное определение нормированной квазиравновесной вольтфарадной характеристики МОП-структуры
- Определение характеристик ионного транспорта в окисле по динамическим В АХ Si-МОП-структур
- Самоорганизация характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором посредством спонтанной ионной поляризации окисла
- Влияние электрической неоднородности гетерограницы Si02/Si на темп генерации неосновных носителей заряда
Введение к работе
Наномасштабирование электронных приборов на основе структур металл-окисел-полупроводник (МОП) требует согласованного с сокращением латеральных размеров элементов уменьшения толщины подзатворного изолятора до S2HM (традиционный окисел кремния) и до 5-20нм (изолирующие слои с высокой диэлектрической проницаемостью е; 5) [1-6]. Сверхтонкие диэлектрические слои используются в полевых транзисторах с изолированным затвором, СВЧ-туннельных диодах, системах динамической и «флэш» памяти, приборах с зарядовой связью, сверхрешетках Si02/Si и пр.[6-9]. Сверхтонкие изоляторы в такого рода системах оказываются в ранее нереализовавшихся экстремальных условиях, подвергаясь воздействию сильных электрических полей, высоких токовых нагрузок и терморазогрева. Становятся существенными туннельная инжекция и инжекция горячих носителей заряда в изолятор, транспорт подвижных заряженных частиц в изолирующих слоях, а также электронно-ионное взаимодействие на гетерогранице полупроводник/диэлектрик. Эти явления сопровождаются процессами генерации, аннигиляции и перераспределения объемного заряда в изоляторах, что проявляется в радикальном изменении, как правило в худшую сторону, электронных свойств гетерограниц. Несмотря на интенсивные исследования инжекционно-туннельного воздействия на характеристики подобных систем наблюдаются лишь его «приборные» последствия, тогда как фундаментальные механизмы такого воздействия и его проявления в электронных свойствах гетерограниц остаются невыясненными, в частности, из-за неадекватности используемого при этом экспериментально-методического аппарата. Это относится как к классическим Si-МОП-системам, так и к некремниевым структурам на основе широкозонных полупроводников (GaN, SiC, GaAs и т.д.), а также к МОП-элементам, использующим изоляторы с высокой диэлектрической проницаемостью (АЬОз, Zr02, НЮ2, GCI2O3, Y2O3 и пр.) [10-20]. Таким образом, исследования механизмов электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсис тем гетерограниц кремний/окисел, стимулированной инжекционно-туннельным воздействием, имеет фундаментальное значение для физики гетерограниц полупроводник/диэлектрик. С другой стороны, развитие адекватного такого рода исследованиям экспериментально-методического аппарата существенно для физической диагностики материалов и структур, перспективных при разработках новой элементной базы электроники. Следовательно, решение данных проблем является актуальной и практически значимой научной задачей.
Цель настоящей работы — экспериментальные исследования механизмов стимулированной туннельным эффектом электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсистем классических n-Si-МОП-структур и безмодельная идентификация туннельных вольтам-перных характеристик сверхтонкого окисла в координатах ток-падение напряжения на окисле.
В данной связи поставлены и решены следующие задачи:
- развита универсальная методика наблюдения в широком диапазоне условий эксперимента процессов проводимости и релаксации Si-МОП-структур, выведенных из состояния термодинамического равновесия, либо посредством изменения зарядового состояния окисла, либо путем переключения МОП-структуры в состояние сильного неравновесного обеднения;
- построен алгоритм выделения из динамических вольтамперных характеристик (ВАХ) МОП-структур активной и емкостной компонент проводимости; разработана методика прецизионного анализа емкостной компоненты тока - вольтфарадной характеристики (ВФХ) - позволяющая рассчитать с высокой точностью зависимость поверхностного потенциала полупроводника щ от потенциала полевого электрода Vg, а также расширить возможности вольтемкост-ной спектроскопии пограничных состояний (ПС);
- проведены многоплановые экспериментальные исследования ионного транспорта в окисле;
- развиты новые представления о механизме динамической ионной де поляризации окисла, основанные на ее существенно неравновесном характере; в рамках этих представлений определены дрейфовая подвижность ионов и ее энергия активации;
— исследованы проявления в проводимости диэлектрика эффектов туннельной нейтрализации ионов в окисле электронами слоя обогащения кремния; построена и экспериментально обоснована модель» проводимости окисла, обу словленной диффузией по окислу нейтральных ассоциатов (ион+электрон), сопровождающейся их термическим распадом в его объеме;
- сопоставлены результаты экспериментов по кинетике ионной деполяризации окисла в изотермическом и термостимулированном режимах; на этой основе введены новые представления о механизмах начальной и конечной стадий деполяризации;
- исследовано влияние ионной поляризации окисла в принудительном и спонтанном режимах на характеристики п-канальных кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором; показано, что локализация положительных ионов в окисле у его границы с кремнием приводит к более чем трехкратному возрастанию эффективной подвижности электронов в инверсионном канале транзисторов;
— проанализированы возможности формирования у поверхности полу проводника двумерного наномасштабного размерно-квантующего потенциального рельефа за-счет ионной или электронно-инжекционной поляризации окисла МОП-структур;
- на ступенчатых сигналах напряжения исследована кинетика генерациинеосновных носителей заряда (ННЗ) в n-Si-МОП-структурах с планарно-неоднородным диэлектриком;
— изучены особенности кинетики рождения электронно—дырочных пар при отсутствии туннельной проводимости тонкого (slOOA) окисла, связанные с наличием периферической генерации ННЗ по периметру полевого электрода и в мелкой потенциальной яме, расположенной под толстым (3200А) окислом, имитирующей краевой эффект;
- в рамках представлений о туннельной проводимости тонкого окисла и об ударной генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами интерпретирована природа пиков тока на кривых кинетики генерации ННЗ, и развит алгоритм количественного описания экспериментальных данных, позволяющий выделить из суммарного тока компоненты, обусловленные термической и ударной генерацией, а также туннелированием; на этих основаниях идентифицирована туннельная ВАХ, и найдены коэффициент ударной ионизации и энергия горячих электронов;
- разработан безмодельный подход к экспериментальному определению зависимости туннельного тока от падения напряжения на сверхтонком ( 50А) окисле n-Si-МОП-структур, как в режиме обогащения поверхности Si, так и в режиме ее инверсии.
Научная новизна. Развит многофункциональный аппарат экспериментальных исследований механизмов электропроводности и релаксации термодинамически неравновесных ионной и электронной подсистем классических ге-терограниц кремний/окисел. Разработаны методы измерений и анализа ВФХ, позволяющие рассчитать с высокой точностью зависимость t//s(Vg), а также расширить возможности вольтемкостной спектроскопии ПС.
На основе представлений о неравновесном характере процессов объемно-зарядовой поляризации и деполяризации окисла Si-МОП-структур описаны динамические ВАХ ионного транспорта в окисле. Это позволило извлечь из результатов единого эксперимента основные сведения о характеристиках ионной проводимости окисла и лимитирующих ее факторах.
Впервые получены экспериментальные доказательства эффектов диффузии нейтрализованных электронами положительных ионов, сосредоточенных у границы раздела (ГР) Si02/Si. Реализованы подходы к определению степени нейтрализации ионов, локализованных в окисле у поверхности кремния, бази рующиеся на наблюдениях времен пролета и термостимулированной деполяризации.
Предсказан и обнаружен неполевой механизм релаксации зарядового состояния диэлектрика, обусловленный диффузией и распадом электронно-ионных ассоциатов, возникающих вследствие нейтрализации ионного заряда у ГР SiCVSi электронами слоя обогащения.
Обнаружено существенное (более чем трехкратное) увеличение эффективной подвижности электронов в инверсионном канале Si-МОП-транзистора при ионной поляризации подзатворного окисла, в том числе в режиме спонтанного разогрева прибора током канала.
Проанализированы новые возможности создания стабильных, перестраиваемых и самоорганизующихся электронных систем пониженной размерности путем формирования в изоляторе, прилегающем к полупроводнику наномас-штабного распределения локализованного ионного (электронного) заряда, индуцирующего в поверхностном слое полупроводника квантующий потенциальный рельеф.
Экспериментально продемонстрировано, что поверхностная генерация ННЗ в Si-МОП-структурах эффективна лишь на начальной (безрекомбинаци-онной) стадии продолжительностью 10 с; при отсутствии иных каналов генерации равновесное состояние инверсии устанавливается в течение многих лет.
Генерация ННЗ в Si-МОП-структуре с планарно-неоднородным окислом обнаруживает необычную кинетику рождения электронно-дырочных пар: зависимости тока генерации от времени 1(f) описывают дискретные ступеньки, длительность и высота которых — функции Vg. С увеличением Vg в структурах проявляется новый канал рождения электронно-дырочных пар, обусловленный ударной генерацией ННЗ в области пространственного заряда (ОПЗ) кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами. Количественное описание экспериментальных данных позволяет выделить из суммарного тока 1(f) его компоненты, связанные с термической и ударной генерацией, а также с тунне лированием.
Разработан алгоритм определения с точностью -0,1% базовых феноменологических характеристик МОП-структур: уровня легирования полупроводника, напряжения «плоских зон» и эффективной «емкости окисла».
Впервые без использования каких-либо подгоночных параметров и предположений о состоянии электронного газа у поверхности кремния экспериментально идентифицированы туннельные ВАХ n-Si-МОП-структур со сверхтонким ( 50А) окислом в координатах туннельный ток-падение напряжения на окисле, как в режиме обогащения, так и в режиме инверсии поверхности Si.
Практическая значимость работы.
Реализованная многофункциональная измерительная система позволяет с цифровой точностью:
— исследовать в идентичных условиях ионную проводимость диэлектрика, граничащего с полупроводником, определять по данным физически независимых опытов ее основные характеристики, изучать источники проникновения ионов в изолятор, связывать результаты наблюдений с технологией электронных приборов;
- наблюдать квазистатические и динамические ВАХ и ВФХ, а также кинетику изотермической и термостимулированной релаксации различных полу проводниковых структур в широком диапазоне экспериментальных условий.
Тем самым возникают широкие возможности эффективного контроля и физической диагностики весьма разнообразных элементов полупроводниковой электроники не только на основе кремния, но и на основе таких перспективных материалов как SiC, GaN, GaAs, InSb и т.д. Универсальность, простота и экс-прессность экспериментального аппарата позволяют рекомендовать его для использования, как при научных исследованиях, так и в электронной промышленности, в частности, при разработках субмикронных приборов и контроля их технологии и надежности.
Факт длительного сохранения характеристик полевых транзисторов, мо дифицированных принудительной или спонтанной ионной поляризацией окисла, открывает перспективы для создания «элионных» запоминающих устройств, тем более что время «записи» существенно сокращается при увеличении интенсивности джоулева разогрева канала. Возможность автокоррекции характеристик готовых приборов представляется полезной для целей прецизионной симметризации параметров входных каскадов дифференциальных усилителей. Наконец, простота варьирования режима саморазогрева транзисторов за счет варьирования значений Vg, потенциала стока Vj и продолжительности токовой нагрузки позволяет изменять в существенных пределах их базовые характеристики, что создает основы для самоорганизации параметров подобных приборов и электронных схем на их основе.
Предложен новый подход к технологии создания размерно-квантованных элементов полупроводниковой наноэлектроники. Обнаруженные особенности периферической и ударной генерации ННЗ могут быть использованы в новом классе полупроводниковых датчиков («динамических сенсоров»), обладающих интегрирующими и пороговыми свойствами, чувствительных к воздействию освещения, радиации и к изменению состава внешней среды.
Развитый подход к анализу туннельных ВАХ Si-МОП-структур с тонким и сверхтонким окислом - основа эффективного метода контроля качества изолятора и его гетерограницы с полупроводником на различных этапах их жизненного цикла, применимый не только к системе Si/Si02, но и к структурам с изоляторами с высокой 6t. На основе данного подхода идентифицируются базовые электрофизические характеристики структур металл-вырожденный полупроводник-диэлектрик-полупроводник: уровень легирования полупроводниковой базы и вырожденной полупроводниковой прослойки, напряжение «плоских зон», «емкость» и толщина диэлектрика, знак и плотность фиксированного в диэлектрике заряда. Этим обеспечиваются более широкие возможности изучения механизмов инжекционного повреждения изоляторов, в особенности, на его ранних стадиях. Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения и списка цитируемой литературы из 224 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны ее цели, задачи и сформулированы основные положения, выносимые на защиту; аргументированы научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.
В первой главе описываются универсальный экспериментально-методический аппарат исследований, его применения для наблюдений и обработки в режиме реального времени квазистатических и динамических ВАХ и ВФХ МОП-структур, кривых изотермической релаксации и температурных зависимостей проводимости, термостимулированной ионной поляризации и деполяризации подзатворного диэлектрика, а также время-пролетных эффектов. Компьютеризированный измерительный комплекс (§1.1) обеспечивает управление экспериментом, сбор, обработку и представление экспериментальных данных. Объект исследования электрически экранирован и полностью защищен от воздействия внешней среды. Измеряемые величины - ток (5-10 14-1А), напряжение (0-±40В), емкость ( 0,01пФ) и э.д.с. микротермопары вводятся в цифровой форме через универсальный интерфейс в персональный компьютер. Область рабочих температур 203-573 К. В §1.2 излагается методика исследований кинетики изотермической и термостимулированной ионной поляризации/деполяризации окисла Si-МОП-структур. §§1.3, 1.4 посвящены разработке методики определения абсолютной величины поверхностного потенциала полупроводника по квазиравновесным ВФХ МОП-структур. С одной стороны, максимально точное определение зависимости i//s(Vg) необходимо как для анализа ВАХ структур с туннельно проницаемым окислом, так и для спектроскопии ПС. С другой стороны, данная методика позволяет выяснить предельные возможности разработанной измерительной системы. Ее эффективность демонстрируется на примере конкретной тестовой Si-МОП-структуры. Повышение точности определения зависимости Ws(Vg) обеспечивается новым методом ана лиза ВФХ, названным методом « У -диаграмм» {y/rs=d{//s/dVg). Метод « У -диаграмм» эффективно реализуется в областях эквидистантности экспериментальной и идеальной ВФХ, т.е. при значениях Vg, отвечающих отсутствию или очень низкой плотности ПС. Приводятся результаты компьютерного моделирования и экспериментальные данные для конкретной Si-МОП-структуры, иллюстрирующие возможности развитых подходов. В итоге минимизации погрешностей измерений повышена точность определения y/s до =0,1 мВ и расширен энергетический интервал спектроскопии ПС в пределах запрещенной зоны Si до =0,9эВ.
Методика наблюдения кинетики генерации ННЗ и туннельной проводимости в Si-МОП-структурах представлена в §1.5. Далее излагаются методы измерения туннельных токов сквозь тонкий и сверхтонкий окисел. В динамическом режиме при температуре Т=293К измеряются прямые (Vg 0) и обратные (Vg 0) туннельные В АХ. В первом случае на полевой электрод подаются треугольные импульсы напряжения. Туннельные токи регистрируются как в процессе нарастания Vg, так и в процессе его спада. Это позволяет выделить из измеряемых сигналов чисто туннельный ток и квазиравновесную ВФХ. Во втором случае наблюдения туннельных ВАХ на пилообразных сигналах напряжения невозможно вследствие крайне медленной генерации ННЗ. Поэтому измерения проводятся на «ступеньках» напряжения (Vg 0) с последовательно возрастающей амплитудой. Регистрация семейства характеристик I(t) с параметром Vg позволяет найти по кинетике нарастания туннельного тока обратную динамическую туннельную ВАХ.
Во второй главе исследуется ионный транспорт в окисле Si-МОП-структур. В §2.1 резюмируется современное состояние исследований ионного транспорта в слоях Si02 на Si. Рассматриваются механизмы появления в слоях SiCb подвижных и связанных ионов и их природа. Аргументируется научная и прикладная значимость наблюдений воздействия подвижных ионов в окисле МОП-структур на электронную подсистему полупроводника и, наоборот, элек тронов полупроводника на ионную подсистему диэлектрика. В §2.2 и §2.3 представлены результаты измерений переходных токов ионной поляризации/деполяризации слоев Si02 в изотермическом и термостимулированном режимах в диапазонах времен как меньших, так и больших времени пролета свободным ионом изолирующего промежутка. Здесь же приводятся данные наблюдений динамических ВАХ ионной проводимости в условиях линейной развертки по напряжению. Развит новый неравновесный подход к описанию динамических ВАХ деполяризации. В его основе лежат представления о термоэмиссии ионов через естественный потенциальный барьер, созданный поляризующим, прижимающим ионы к ГР Si/SiC , напряжением. Результаты экспериментов прекрасно согласуются с данными представлениями. На этом основании впервые в рамках единого эксперимента определены базовые характеристики ионной проводимости слоев SiC : плотности подвижных ионов, их подвижность и ее энергия активации. Здесь же содержатся результаты исследований эффектов нейтрализации электронами из слоя обогащения положительных ионов, сосредоточенных у границы Si02/Si. Рассматривается качественная физическая модель возможных проявлений электронно-ионного взаимодействия. Считается, что туннельный захват электрона из Si на ловушку, образованную ионом и его диэлектрическим окружением, приводит к нейтрализации ионов у ГР Si/Si02. При высоких температурах нейтральные ассоциаты (НА) могут диффундировать вглубь окисла и термически распадаться. При этом в слое диэлектрика толщиной порядка длины диффузии НА возникнет своеобразный кругооборот ионов у поверхности Si, обусловливающий стационарный, слабо зависящий от электрического поля ток через диэлектрик. При изменении направления поля к переходному ионному току добавляется компонента, определяемая диффузией и распадом НА, независящая от величины деполяризующего напряжения. Представлены экспериментальные доказательства, подтверждающие данную физическую картину явлений. Эта модель позволяет описать и закономерности изотермической деполяризации. Интегрирование кривых изо термической и термостимулированной релаксации поляризованной МОП-структуры позволило оценить плотности нейтрализованных и свободных ионов и коэффициент нейтрализации =0,83.
Представлен новый взгляд на природу пиков термостимулированной ионной деполяризации (ТСД) Si-МОП-структур, трактовавшихся ранее исключительно с позиций опустошения ионных ловушек. Показано, что стадия начального нарастания тока ТСД обусловлена термоактивацией времени пролета свободных ионов. Области экстремума и спада тока качественно интерпретируются на основе модели электронно-ионного взаимодействия. Пик тока имеет нетрадиционную для ТСД форму — полуширина его спадающей ветви много больше нарастающей.
В главе 3 исследуются влияние ионной поляризации окисла на характеристики n-канальных кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором. В §3.1 наблюдалось воздействие поляризации окисла на эффективную подвижность электронов jue в инверсионном канале транзистора. Поляризация сопровождается незначительным сдвигом порогового напряжения, a jue после поляризации возрастает более чем в три раза и оказывается большей jue в массивном кремнии с эквивалентным уровнем легирования (/4=1400см2/В-с, 7 =2931(). Максимальное значение jue при Г=293К в поляризованном образце S2645CM"7B-C. С понижением Т juc растет пропорционалньно Т достигая при Г=203К 3596см7В-с. В §3.2 исследуется влияние на /ле ионной поляризации подзатворного окисла в режиме саморазогрева транзистора током канала. Оказывается, что как ив §3.1, спонтанная поляризация окисла сопровождается уве-личением /4 (от 808 до 1856см /В-с), тока стока Id и крутизны, а также небольшим уменьшением порогового напряжения.
Четвертая глава посвящена анализу новых возможностей создания стабильных, перестраиваемых и самоорганизующихся электронных систем пониженной размерности путем формирования в диэлектрике у его границы с полупроводником наномасштабного распределения локализованного ионного (элек тронного) заряда, индуцирующего в поверхностном слое полупроводника квантующий потенциальный рельеф. Эти возможности базируются на способности Si-МОП-структур (в частности, МНОП-структур и Si-МОП-транзисторов с «плавающим» затвором) длительно (—10 с) сохранять поляризационный ионный (электронный) заряд в окисле у поверхности кремния. Рассматриваются перспективные методы профилирования распределения плотности заряда в окисле МОП-структур.
В §5.1 (глава 5) ализируются базовые каналы генерации неосновных носителей заряда (ННЗ) в Si-МОП-структурах. При одновременной активности пяти известных каналов генерации - рождение электронно-дырочных пар через пограничные центры генерации (ПЦГ), объемные уровни в полупроводнике и по периферии полевого электрода, а также генерация ННЗ в краевых полях, обусловленных локальной неоднородностью гетерограницы Si02/Si и, наконец, термодиффузия ННЗ из электронейтрального объема полупроводника - общий темп термогенерации ННЗ (для определенности - дырок) - сумма темпов генерации отдельных каналов. Далее (§5.2) рассматривается специфика генерации ННЗ в структурах с электрически неоднородной ГР и особенности рождения электронно-дырочных пар через пограничные состояния (ПС) (§5.3). В современных Si-МОП-структурах накопление дырок у неравновесно обедненной поверхности Si при комнатной температуре определяется темпами их генерации через ПЦГ как под полевым электродом (Gss), так и по его периферии (Gsp).
В §5.4 исследована кинетика генерации ННЗ в Si-МОП-структурах с пла-нарно-неоднородным диэлектриком в отсутствии туннельной проводимости тонкого (ЮОА) подзатворного окисла. Установлены особенности кинетики рождения электронно-дырочных пар при малых \Vg\, связанные с наличием периферической генерации ННЗ по периметру полевого электрода и в мелкой потенциальной яме, расположенной под толстым окислом, имитирующей краевой эффект. Эти особенности проявляются в форме необычной кинетики тока: ток описывает дискретные ступеньки, высота и длительность которых является функциями Vg. Развита интерпретация результатов наблюдений, на основе которой определены базовые электронные характеристики гетерограницы Si/Si02.
В начале шестой главы рассматриваются основные представления о туннельном переносе электронов в МОП-структурах с тонким и сверхтонким окислом в режимах прямого туннелирования и туннелирования по Фаулеру-Нордгейму. Показано, что идентификация туннельных ВАХ в таких структурах требует развития строгого подхода к определению функций if/s(Vg). В §6.1 исследуются динамические туннельные ВАХ в режиме инверсии поверхности кремния. В рамках представлений о туннельной проводимости тонкого (ЮОА) окисла и об ударной генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда кремния протуннелировавшими в нее горячими электронами интерпретирована природа пиков тока на кривых кинетики релаксации I(t), возникающих при максимальных значениях \Vg\. На этой основе построен алгоритм количественного описания экспериментальных данных, позволяющий выделить из суммарного тока 1(f) компоненты, обусловленные термической и ударной генерацией, а также туннелированием.
В §6.2 исследуются квазистатические туннельные ВАХ Si-МОП-структуры со сверхтонким окислом. Разработан метод определения туннельных ВАХ It(Vi) подобных структур (V, — падение напряжения на окисле). Представленные более чем на десяти порядках величины изменения тока характеристики It(y,) чрезвычайно сложны и в полном масштабе не описываются ни одной из известных теорий туннельного эффекта. Впервые полученные без использования каких-либо подгоночных параметров экспериментальные зависимости It(Vi) и y/s(Vg) являются хорошим «тестом» для развития теории туннельного эффекта, учитывающей как вырождение и размерное квантование электронного газа в полупроводниковых элементах структуры, так и неклассическую форму потенциального барьера для туннелирующих электронов, обусловленную присутствием в окисле встроенного заряда, знак и плотность которого, в принципе, функции времени и величины Vg. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, намечены пути и перспективы ее развития.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 При ионной поляризации окисла n-Si-МОП-структур нейтральные ас-социаты (ион+электрон), образованные за счет туннельного захвата электронов из слоя обогащения полупроводника, распадаются в процессе диффузии к полевому электроду; свободные положительные ионы возвращаются к границе раздела Si02/Si, где вновь нейтрализуются. В результате у поверхности Si02 возникает незатухающая циркуляция ионов, проявляющаяся в своеобразном типе стационарной ионно-электронной проводимости окисла с сублинейной вольтамперной характеристикой.
2 В кинетике ионной деполяризации окисла проявляются два этапа. На первом из них деполяризация происходит во время-пролетном режиме, в котором доминируют свободные ионы; на втором - ток деполяризации / определяется темпом туннельного распада нейтральных ассоциатов, не зависит от электрического поля и изменяется со временем / по квазигиперболическому закону (7осГ(1+аг), a=const«l).
3 Ионная поляризация окисла Si-МОП-транзисторов приводит при слое-вой плотности ионов 6-10 см " к более чем трехкратному увеличению эффективной подвижности электронов в инверсионном канале; максимальные значе-ния подвижности при 7Ъ=293К достигают 2645см7В-с.
4 Наблюдения кинетики генерации неосновных носителей заряда в n-Si-МОП-структурах позволяют установить неэффективность классического канала рождения электронно-дырочных пар через пограничные центры генерации.
5 Имитация эффекта периферической генерации неосновных носителей заряда в Si-МОП-структурах с планарно-неоднородным окислом позволяет установить, что переход образца в равновесное состояние инверсии лимитируется затухающим со временем темпом рождения электронно-дырочных пар по периферии полевого электрода. 6 В n-Si-МОП-структурах с туннельно проницаемым окислом на зависимостях тока генерации неосновных носителей заряда от времени 1(f) проявляются резкие пики, обусловленные туннельным эффектом и ударной генерацией электронно-дырочных пар протуннелировавшими в Si горячими электронами. Разность интегралов от кривой 1(f) и тока термической генерации дырок позволяет выделить вклад в полный ток 1(f) ударной генерации дырок, идентифицировать туннельную вольтамперную характеристику, найти коэффициент ударной ионизации (1,2±0,2) и энергию горячих электронов (4,23эВ).
7 Равновесные емкости МОП-структуры С и области пространственного заряда полупроводника С5 связаны фундаментальным соотношением dC /dVg=dCs /dy/s, обусловливающим эквидистантность прямых Шоттки C "(Vg) и Cs (i//s) при обедняющих потенциалах полевого электрода Vg и соответствующих им поверхностных потенциалах полупроводника y/s. По этим характеристикам определяются напряжение «плоских зон», «емкость окисла» и находятся зависимости if/s(Vg) и падения напряжения на окисле V,(Vg). В результате, впервые без использования каких-либо подгоночных параметров и предположений о состояниях электронного газа при сильном обогащении и глубокой инверсии наблюдаемый сквозь окисел туннельный TOKlt(Vg) представляется в терминах физически адекватной переменной Vt.
Достоверность полученных данных подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве объектов исследования и признанием результатов работ научной общественностью. О надежности результатов исследований свидетельствуют также:
- высокий класс точности цифровых измерительных приборов;
- достаточно низкие случайные погрешности определения базовых электрофизических параметров исследованных структур;
- качественное и количественное согласие данных наблюдений с теоретическими представлениями, вытекающими из оригинальных и общепринятых физических моделей; - согласие полученных данных с данными независимых работ в областях перекрытия условий экспериментов.
Личный вклад автора.
Все представленные в работе результаты, выводы, рекомендации и научные положения принадлежат лично автору. Эксперименты и обработка их результатов выполнены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Соавторы участвовали в обсуждении результатов экспериментов и в развитии интерпретации некоторых механизмов изучавшихся физических процессов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Диэлектрики-97» (г.Санкт-Петербург, 1997г.), 3-й Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (г.Александров, 1997г.), Международной конференции «Полупроводники 97» (г.Москва, 1997г.), 4-й Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (г.Александров, 1999г.), 9-й Международной конференции «Диэлектрики-2000» (г.Санкт-Петербург, 2000г.), International Conference «Micro- and nanoelectronics - 2003» (Moscow-Zvenigorod, 2003), 10-й Международной конференции «Диэлектрики-2004» (г.Санкт-Петербург, 2004г.), III Научно-практической конференции «На-нотехнологии — производству 2006» (г.Фрязино, 2006г.), International conference «Micro- and nanoelectronics -2007» (Moscow-Zvenigorod, 2007), 1-ой Международной научной конференции «НАНО-2008» «Наноструктурные материалы-2008: Беларусь-Россия-Украина» (г.Минск, 2008г.), 11-й Международной конференции «Диэлектрики-2008» (г.Санкт-Петербург, 2008г.), 16h International Symposium «Nanostructures: physics and technology» (г.Владивосток, 2008г.), 8-ой Международной конференции «Химия твёрдого тела и современные мик-ро и нанотехнологии» (г.Кисловодск, 2008г.) и научных семинарах ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, ИОФАН, МИЭТ, ФТИАН. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатные работы. Соответствующие ссылки отмечены знаком .
Автор глубоко признателен академику Ю.В.Гуляеву и профессору А.Г.Ждану за постоянное внимание к работе и ценные советы, а также сотрудникам лаборатории Е.И.Гольдману, И.Б.Гуляеву, Н.Ф.Кухарской, В.Г.Нарышкиной, Е.Л.Новиковой и Р.В.Панченко за доброжелательную конструктивную помощь в проведении исследований и в подготовке диссертации.
Прецизионное определение нормированной квазиравновесной вольтфарадной характеристики МОП-структуры
В зависимости поверхностного потенциала полупроводника щ от напряжения Vg, приложенного к полевому электроду МОП-структуры, проявляются все основные факторы, определяющие электронные свойства области ГР полупроводник/диэлектрик: локализованные электронные состояния, фиксированный и подвижный заряд в диэлектрике, контактная разность потенциалов полевой электрод/полупроводник, эффекты флуктуационного потенциала, профиль легирования полупроводника [29, 30]. По зависимостям щ{ Vg) можно судить об изменениях этих свойств после термополевых и радиационных стрессов, про-мотирующих, в частности, генерацию дефектов и накопление/аннигиляцию заряда в подзатворном диэлектрике. Такого рода информация имеет особую значимость в связи с явлениями деградации сверхтонких подзатворных окислов субмикронных полевых транзисторов [10, 31], а также при изучении механизмов электропроводности диэлектриков, требующем установления зависимости тока от падения напряжения на диэлектрике. При таких исследованиях, как правило, используются методы ВФХ [10, 29].
Зависимость i//s(Vg) определяется численным интегрированием нормированной квазиравновесной (КР) ВФХ МОП-структуры C Fg)=C(Fg)/C,- [8]: где С( Vg) - дифференциальная емкость МОП-структуры; С, -«емкость диэлектрика» (емкость МОП-структуры в состоянии предельного обогащения или инверсии); щ выражен в вольтах и отсчитывается от дна зоны проводимости в объеме электронного полупроводника EJq: ц/р-0 в состоянии обогащения, i//s 0 в состояниях обеднения и инверсии (q — элементарный заряд); Vgo-Vg\w =v, (Vgo произвольно выбирается из диапазона напряжений регистрации КР ВФХ).. Из (1.1) явствует, что точность определения функции i[/s(Vg) критически зависит от точности определения зависимостей C{Vg), i//so(Vgo), величины С,-. КР ВФХ измеряется при линейном изменении во времени потенциала полевого электрода Vg=Vgo+j3vt (где Д, — скорость полевой развертки). В условиях термодинамического равновесия ток смещения Ic(Vg), протекающий через МОП-структуру, связан с ее дифференциальной емкостью C{Vg) простым соотношением: Ic(Vs)=C(Vg)Pv. Между тем, измеряемый сигнал I[Vg(t)], помимо искомого тока смещения Ic[Vg(ty\=Cpv, в принципе, содержит составляющие, обусловливающие систематические погрешности определения функции C(Vg). Эти составляющие - токи релаксационной (как правило, объемно-зарядовой) поляризации (деполяризации) диэлектрика Ip[Vg(t)], а также токи утечки МОП-структуры IdYg), т.е.
Поляризационная компонента Ip[Vg(t)] проявляется в МОП-структурах не только при комнатных, но и при более низких температурах (вплоть до ЗК) [32, 33]. Снизить и даже исключить ее вклад в измеряемый сигнал можно путем полной предварительной деполяризации диэлектрика, ибо известно, что при «замораживании» такого состояния (Vg 0) присутствующие в окисле подвижные положительные ионы локализуются у полевого электрода. Это исключает их воздействие на спектр пограничных состояний (ПС) и минимизирует ток переполяризации, поскольку при прочих равных условиях этот ток существенно ниже тока деполяризации [34 , 35 , 36 ].
В отсутствие переполяризационной компоненты проводимости (качественно она легко различима по локализованным вблизи Vg 0 пикам тока, плавно затухающего с ростом \Vg\ [34 , 35 , 36 ]) исключение из измеряемого сигнала токов утечки IL{ Vg) базируется на том, что при изменении знака Д ток смещения Ic=Cpv изменяет направление, тогда как величина и направление IL определяются лишь величиной и знаком Vg: при Vg 0, Іі 0; при Vg 0, IL 0 [37]. Полагая KVg)\Pv 0=h{Vg) 0, I(Vg)\flv 0=I2(Vg) 0 и учитывая, что /с( )=/с1( )Л 0 = =_Л;2( ) я о=СД 0, (так как отрицательные и положительные значения Д, равны по абсолютной величине), имеем: в области Vg Следовательно, в полностью деполяризованной МОП-структуре, когда вклад релаксационной переполяризации в измеряемый сигнал несущественен, корректные значения тока смещения Ic(Vg) можно найти усреднением токов Ii(Vg), h{Vg), взятых при одинаковых значениях Vg.
Рассмотрим такую возможность на примере Si-МОП-структуры А1—S1O2-(100)Si:P (А1-полевой электрод площадью і$=2,4-1(Г2см2, 8Ю2-термический окисел толщиной 1700А, (100)Si:P - кремний с концентрацией фосфора Л =1,58-1013см"3 u). Задача прецизионного измерения функции I[Vg(t)] решается посредством использования цифровой техники (1.1). В наиболее информативной области КР ВФХ (в данном случае при -10 Fg 10B) регистрировались =500 пар точек (I, Vg). Скорость линейной развертки Д=±40мВ/с выбрана эмпирически - как максимальное значение, при котором еще отсутствует гистерезис ВФХ, последовательно регистрируемых при Д 0 и Д 0.
Исследуемая МОП-структура вначале деполяризовалась при температуре 453К в течение 30 мин. напряжением Vg—— 10В, а затем охлаждалась при неизменном Vg до температуры измерений (293К). Далее, при изменении Vg от Fg0=-10B до Fg/=+10B (Д 0; первый цикл) измерялась зависимость I\(Vg)II\i, где I\i=I\\v,=v, о (рис. 1.4, кривая 1), а затем при изменении Vg от =+10В до Vgf =-10В (ДО; второй цикл) - зависимость І2(Уг)/І2ь где hi=h\v,=v о (рис. 1.4, кривая 2).
Определение характеристик ионного транспорта в окисле по динамическим В АХ Si-МОП-структур
Методы КР ВФХ, отличающиеся оперативностью, простотой, качественной наглядностью результатов, широко применяются в МОП-электронике в целях физической диагностики, контроля технологии, установления причин отказов, прогнозирования надежности, изучения последствий и механизмов деградации при радиационных и термополевых стрессах и пр. [4, 5, 10-13]. Такого рода задачи приобрели новую актуальность с развитием нанотехнологии, требующей в соответствии с принципами скейлинга согласованного с сокращением длины канала МОП-транзисторов уменьшения толщины подзатворного окисла h до уровня =2нм [1, 2]. Подобные окислы в рабочих условиях подвергаются интенсивному повреждающему воздействию горячих носителей заряда и инжекции электронов (дырок), обусловливающему генерацию электронных и дырочных ловушек и накопление заряда, вследствие чего необратимо изменя ются пороговые напряжения приборов [14] и возрастает их радиочастотный шум [42]. КР ВФХ, также, непременный инструмент, используемый при поиске новых диэлектрических пар к кремнию, обеспечивающих за счет более высокой диэлектрической проницаемости, чем у Si02 увеличение геометрической толщины подзатворного изолятора и, соответственно, уменьшение токов утечки полевого электрода при сохранении эквивалентной «физической» толщины тонкого окисла [15, 16]. Аналогичные задачи для КР ВФХ возникают и при исследованиях электронных свойств ГР полупроводник/диэлектрик при разработках некремниевых МОП-приборов на основе широкозонных полупроводников - SiC, InAs, GaAs, GaN [17-19]. Необходимо особо отметить, что одной из важнейших проблем новых МОП-систем является проблема снижения токов утечки полевого электрода. Ее решение невозможно без установления механизма проводимости подзатворного изолятора. Помимо уже упоминавшегося туннельного эффекта (1.3) электропроводность диэлектрика могут обусловливать эмиссия Шоттки, эффект Френкеля-Пула, токи, ограниченные пространственным зарядом, и пр. [11]. В любом случае, достаточно очевидно, что выяснение доминирующего механизма переноса заряда через диэлектрик требует знания вида зависимости тока утечки от падения напряжения на диэлектрике V,, т.е. идентификации функции y/s{Vg\ поскольку Vj{Vg)=Vg—y/s{Vg).
Таким образом, определение зависимости y/s(Vg) - актуальная универсальная задача физики наномасштабных МОП-структур как на основе системы Si/SiOi, так и на основе иных систем полупроводник/диэлектрик. Как следует из уравнения (1.1) функция i//s( Vg) рассчитывается с точностью до постоянной интегрирования щ$.
Известные методы оценки y/SQ [10, 43 45], предполагающие возможность совмещения экспериментальной и идеальной ВФХ в областях сильного обогащения или глубокой инверсии (\qi//s\»kT), не содержат количественных критериев такой совместимости. Реперные точки o( go) выбираются достаточно произвольно (в лучшем случае с точностью кТ/д) у краев диапазона изменения Vg (\qw\»kT), где зависимость w{Vg) весьма слаба. Погрешность определения величины y/s0) а следовательно, и щ этого порядка представляется допустимой, если рассматривать лишь единственное ее следствие - небольшое ( А:7) смещение наблюдаемых характеристик ГР по оси qy/s, т.е по оси энергий Е в пределах запрещенной зоны полупроводника [10].
Однако даже эти, кажущиеся небольшими вариации щ(що) катастрофически, качественно и количественно, влияют на результаты определения методом ВФХ электронных свойств ГР, особенно у краев запрещенной зоны полупроводника, где удельная емкость слоя объемного заряда полупроводника Cs(i//S) экспоненциально резко зависит от qy/s [10, 29, 45, 46]. Это влияние существенно и в области щ 0, что не позволяет оценивать величину напряжения «плоских зон» VFB, а также ее изменения под воздействием различных факторов.
Ниже представлена количественная методика определения if/sQ, не требующая априорных знаний вида функции щ{ Vg) или каких-либо предположений о характере спектра ПС, локализованных в области контакта полупроводник/диэлектрик (в частности, предположения Css«Cs(i//so) где Css — удельная емкость «пограничных состояний» в области сильного обогащения (инверсии), являющегося основой подхода в работе [43] к оценке о) Уравнение (1.1) - следствие дифференциального соотношения, связывающего поверхностный потенциал полупроводника с КР ВФХ МОП-структуры [43]:
Представим, согласно (1.10), экспериментальную Cvex{Vgex) и соответствующую ей идеальную ВФХ1 2 CviJ Vg"1), рассчитанную с параметрами иссле 12 При расчёте идеальной ВФХ считается, что контактная разность потенциалов полевой электрод/полупроводник равна нулю, а ПС на контакте полупроводник/диэлектрик и заряд в диэлектрике отсутствуют [10]. дуемой Si-МОП структуры, в координатах y/ fx== l-Cvex(Vgex)=f(y/sex), i// sl = =[l-CViX rf)]=/( (d)J т-е- в форме y/ J -диаграммы. Экспериментальная ВФХ измерялась в диапазоне -10 10В при скоростях линейной развертки Д=±40мВ/с по методике, описанной в 1.3. Измерения проводились при температуре 293К.
Связь Vgd с y/sld в случае идеальной ВФХ, естественно, точно известна, а в случае экспериментальной — устанавливается численным интегрированием (1.1). Необходимые для этого значения y/s,d в области глубокого обогащения (Vg=V8oac=10B, i//so=i/fsoac) и сильной инверсии (Vg=Vgo n=-lOB, у/3ъ=Щът) оценивались в пренебрежении зарядом в диэлектрике, поверхностным зарядом ГР и падением напряжения на слое объемного заряда полупроводника по соотношению SjF SsFs, где /, ss — диэлектрические проницаемости подзатворного изолятора SiC 2 и Si; Fi=Vg/h (h - толщина слоя Si02); Fs - поверхностное электрическое поле в полупроводнике [10, 29]: Fsac=(-/2kT /qLD)exp{q y/s0ac/2kT), qy/soac»kT (обогащение), Fsin=( 2kTni/qLDNd)exp(\qy/s0in\/2kT), \qy/Jn\»kT (инверсия). В результате было получено: 0ас(ЮВ)=0,319В, 0 "(-ЮВ)= =-0,700В.
Самоорганизация характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором посредством спонтанной ионной поляризации окисла
Впервые воздействие ионов, присутствующих в окисле, на характеристики Si-МОП-структур было замечено в [65]. Обширные сведения о транспорте ионов по окислу суммированы в работах [10, 38, 66-79]. Наиболее общая теория ионного дрейфа в окисле Si-МОП-структур развита В.П. Романовым, Ю.А. Чаплыгиным и сотр. [79]. В слоях Si02 могут присутствовать как положительные [Li+, Na+, К+, Cs+, Rb+, Pt+, Cu+, а также протоны и их комплексы (Н1", НзО+)], так и отрицательные ионы (О", Cl , F-). При температурах Т 373К ионы К+, Cs+, Rb+ и Cu+ оказываются неподвижны. В области более низких температур (вплоть до комнатных и ниже) перенос заряда может осуществляться ионами Li+, Na+, Pt+, протонами и их комплексами. При Т 573К отрицательные ионы неподвижны. В подавляющем большинстве работ, посвященных исследованиям ионной проводимости (ИП), природа носителей заряда специально не идентифицировалась. В основном, исследования проводились на образцах с высокой плотностью подвижных ионов NsQ \0 "см ", которые вводились в окисел либо посредством обработки в растворах щелочно-галоидных солей, либо путем ионной имплантации. Исключения составляют единичные работы, где природа ионов была установлена методами вторично-ионной масс-спектроскопии, «меченых» атомов и пламенной фотометрии [10, 80-82].
Считается, что ионные загрязнения проникают в диэлектрик на всех стадиях технологического процесса формирования МОП-структур [10, 83-86]. Наиболее типичны загрязнения ионами Na . Один из основных механизмов проникновения ионов Na+ в окисел - электрохимические реакции, протекающие на полевом электроде. Значительное влияние на содержание ионов в окисле оказывает природа материала затвора [87, 88]. Для предотвращения проникновения подвижных ионов в окисел применяются непроницаемые для ионов защитные пленки, в частности, нитрид кремния. Боро- и фосфоросиликатные стекла и АЬОз являются хорошими барьерными слоями для ионов [11]..
Несмотря на значительное внимание, уделявшееся проблемам ионного транспорта по окислу, в этой сфере сохраняется множество «белых пятен». Это обстоятельство проявляется достаточно отчетливо в рассматриваемых далее результатах исследований ионного переноса в подзатворном окисле и физических подходах к их интерпретации.
Основные сведения о ИП технологически хорошо определенных и широко используемых на практике систем - слоях Si02 на Si - получены с применением четырех классических методов, основанных на измерениях динамических ВАХ [79, 87, 89-93], времен пролета [70, 94, 95], ТСД [96, 97] и ВФХ [10, 11, 98]. Достаточно очевидно, что корректное применение любого из этих методов, в принципе, должно давать полную информацию о параметрах ионного транспорта. Однако к настоящему времени сложились весьма устойчивые традиции специализированного применения каждой из названных методик. Так, динамические ВАХ и метод времен пролета используются преимущественно для определения эффективной дрейфовой подвижности ионов и ее энергии активации [70, 75, 89]; ТСД считается эффективной для анализа характеристик ионных ловушек, локализованных на ГР полупроводник/диэлектрик [96, 97]; посредством ВФХ находят величины подвижного и фиксированного заряда [10, 11]. В результате данные различных авторов существенно расходятся.
Рассмотрим, например, данные исследований, проведенных методами динамических ВАХ и ТСД. Ионная деполяризация диэлектрика обусловлена перетеканием положительных ионов, предварительно прижатых поляризую щим электрическим полем к ГР окисел/полупроводник, к полевому электроду. Она проявляется на динамических ВАХ при линейном во времени изменении потенциала полевого электрода Vg в весьма эффектной и удобной для идентификации форме - в виде узких симметричных пиков тока, локализованных вблизи Vg=0. Впервые подобные пики наблюдал Ямин [87], а впоследствии -более детально - исследовали Кун и Сильверсмит [89] и Шоу [91]. Типичные динамические ВАХ ионной проводимости, измеренные в функции от температуры [89], обнаруживают характерное несовпадение пиков тока поляризации и деполяризации, исчезающее лишь при достаточно сильном нагреве образца (Т 623К); заметим, что столь высокие температуры неблагоприятны для экспериментов вследствие быстрых необратимых изменений свойств диэлектрика. По-видимому, именно симметрия высокотемпературных динамических ВАХ и обусловила подходы к их теоретическому описанию в рамках представлений о квазиравновесном перетекании ионов при изменении Vg от ГР полевой элек-трод/8і02 к ГР Si02/Si и обратно [90-93]. Расчеты, выполненные в [90, 91], не были доведены до стадии, допускающей непосредственное сопоставление теории и эксперимента, так что факт отсутствия в [90, 91] информации о фигурирующих в теории параметрах ионного транспорта исследовавшихся Si-МОП-структур выглядит закономерным.
Влияние электрической неоднородности гетерограницы Si02/Si на темп генерации неосновных носителей заряда
Изотермические исследования процессов переноса подвижных ионов в диэлектрике Si-МОП-структур в динамическом режиме при адекватном подходе должны давать обширную и ценную информацию о кинетике ионного транспорта, существенно влияющего на стабильность и срок службы МОП-приборов и интегральных схем на их основе [70, 83]. Поляризация (деполяризация) диэлектрика при линейном во времени изменении потенциала полевого электрода Vg=Vgo±/3vt [Vgo - стартовый (поляризующий или деполяризующий) потенциал полевого электрода, t — время, jBv=dVg/dt=const] проявляется на динамических ВАХ в весьма удобной для идентификации форме - в виде узких пиков тока, локализованных вблизи Vg-0 [89]. Малая кТ полуширина пиков ранее интерпретировалась исключительно в рамках представлений о квазиравновесном (больцмановском) распределении ионов в диэлектрике [92, 93]. Такая интерпретация справедлива только для области высоких температур (7 500К), когда имеет место симметрия ВАХ поляризации и деполяризации (см. 2.1). При не слишком высоких температурах (Т ООК) узкие пики возникают только на ВАХ деполяризации, а в режиме поляризации при таких же Д, ток описывает относительно невысокие пологие максимумы, несколько смещенные в направлении поляризующих напряжений [89, 92, 93] (вставка к рис.2.1). Это не согласуется с предположением о квазиравновесии, требующем примерного равенства ионных потоков от ГР Si/Si02 к полевому электроду и в противоположном направлении.
Более того, в условиях квазиравновесия плотность ионов у ГР Si/SiOi зависит только от величины Vg, и поэтому ток (производная поверхностного заряда по времени) должен быть прямо пропорционален величине Д, что не наблюдается на опыте (рис.2.1). Различия в форме ВАХ поляризации и деполяризации свидетельствуют не только об отсутствии квазиравновесия в ионной подсистеме диэлектрика, но и явно указывают на локализацию ионов у ГР с полевым электродом на состояниях, энергетически более глубоких, чем в объеме SiCb или у его контакта с Si. Поэтому при анализе кинетики деполяризации присутствием свободных ионов у полевого электрода можно пренебрегать.
В этой связи в данном параграфе на основании результатов детальных экспериментов по динамической ионной деполяризации Si-МОП-структур развиваются новые представления о ее механизме, базирующиеся на существенно неравновесном характере ионного транспорта, и определяются основные характеристики последнего.
Измерения проводились в атмосферных условиях на структурах А1- (по-левой электрод площадью =2,4-10 см ) - Si02 (термический окисел толщиной /г=1700А, сформированный в сухом кислороде при 1100С) - (100)Si (концек-трация доноров (фосфор) Nj=l-\0 см ). Специально подвижные ионы в слой SiCb не вводились, для исследований отбирались образцы с отрицательными значениями напряжения плоских зон ( я -1В). Опыты проводились по методике, описанной в 1.2. Генератор треугольных импульсов напряжения позволял задавать в широких пределах значения Д. Начальная плотность ионов Л о У ГР Si/SiCb варьировалась изменением времени (/ 5мин.) и напряжения (КЯ +5В) поляризации, осуществлявшейся при T=const. Значения1 Л о определялись по площади пиков тока деполяризации. Квазипостоянная составляющая тока, отчетливо проявлявшаяся на начальной стадии изменения Vg, вычиталась из суммарного тока.
На рис. 2.1, 2.2 представлены типичные семейства ВАХ деполяризации при 7 =423К и различных значениях Д и NSQ. Видно, что при малых Д 0,06В/с пики практически симметричны; области начального нарастания тока всех кривых совпадают; с увеличением Д амплитуда максимума тока возрастает, а его положение смещается в сторону деполяризующих напряжений (Vg 0). С увеличением NSQ (рис.2.2) форма пиков практически не изменяется, их полуширина несколько возрастает, а точка максимума тока сдвигается в сторону Vg 0.
Пренебрежем на указанном выше основании обратным потоком ионов от полевого электрода к полупроводнику. При таких условиях в области достаточно больших поляризующих полей ионной деполяризации препятствует естественный потенциальный барьер (см. вставку на рис. 2.4) высотой Ug=qV (q — элементарный заряд, Vg—Vg+VK 0, VK — контактная разность потенциалов полевой электрод/полупроводник). Следовательно: десь / - ток ионной деполяризации, /и и N - дрейфовая подвижность и объемная концентрация свободных ионов, S - площадь МОП-структуры, Ё 0 - электрическое поле в диэлектрике, к — постоянная Больцмана, z — координата в направлении нормали к ГР; z=0 - ГР с полупроводником, z=h - ГР с полевым электродом. Решая это уравнение относительно N(z) при N\ =Q=No (No — объемная концентрация ионов у ГР полупроводник/диэлектрик), и заменяя строгое условие 7)2=/г=0 условием 7У /,_5 =0 (5g«h - ширина области «мгновенной» локализации ионов непосредственно у ГР диэлектрик/затвор), получаем типичное для диффузионно-дрейфового механизма переноса выражение:
Похожие диссертации на Электронно-ионное взаимодействие и туннельный эффект в кремниевых структурах металл–окисел–полупроводник
