Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT - файл n1.doc

Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT
скачать (2519 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2519kb.02.11.2012 21:05скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

1.4. Характеристики идеальной МДП-структуры.

На рис.1.5.а приведена зонная диаграмма идеальной МДП-структуры в режиме инверсии. На структуре 1.5.б приведено распределение зарядов по структуре соответствующее данному режиму.

Рис.1.5. Зонная диаграмма идеальной МДП-структуры (а) и распределения зарядов (в условиях инверсии) (б), электрического поля (в) и потенциала (г).
Ясно, что для обеспечения электронейтральности структуры заряд на её металлическом электроде должен быть равен сумме электронного заряда в инверсионном слое и заряда ионизированных акцепторов в области обеднения полупроводника:
.
(37)
Все заряды здесь отнесены к границе раздела, - толщина обеднённого слоя, - полная поверхностная плотность заряда в полупроводнике. На рис. 1.5.в. и г. показаны распределения электрического поля и потенциала в структуре, которые соответствуют первому и второму интегралам уравнения Пуассона.
Из уравнения (2) можно получить:
,
(38)
.
(39)
С этой точки зрения, полная ёмкость МДП-структуры представляет собой ёмкость двух последовательно соединённых ёмкостей (рис.1.6.).
Рис.1.6. Простейшая эквивалентная схема идеальной МДП-структуры.
Так же выражение (2) можно представить в виде:
.
(40)
Это соотношение даёт взаимосвязь между напряжением, приложенным к структуре, и поверхностным потенциалом полупроводника.
Продифференцировав выражение (2) получим:
.
(41)
, где использовано
(42)
.
(43)
Таким образом, ВФХ определяется (причём независимо от того, относится ли это к «идеальной» или реальной МДП-структуре).
«Теоретической» ВФХ [2] называют такую ВФХ, на которую не оказывают влияние условия измерения. Другими словами заряд в любой части системы (на МФГ, в ОПЗ) ?S не зависит от характера напряжения, а определяется только значением напряжения в данный момент времени (то есть заряд МДП-структуры следует за ). Практически, только процесс изменения оказывает существенное влияние на ВФХ (даже в том случае, когда рассматривается «идеальная» МДП-структура). Можно выделить три предельных режима условий измерения (рис.1.7.):
  1. Если заряд в инверсионном слое успевает следовать за частотой , тогда основной вклад в вносит ёмкость инверсионного слоя. Измеренная в таких случаях ВФХ носит название низкочастотной ВФХ и соответствует теоретической.
  2. Если не успевает следовать за частотой , то инверсионный слой не будет вносить вклад в (поскольку ). Напряжение будет модулировать лишь заряд в обедненной области, максимальная ширина которой () не зависит от .В этом случае будет равна . Емкость МДП-структуры будет постоянна и минимальна (кривая 2, рис.1.7.). Соответствующая этому случаю ВФХ носит название высокочастотной ВФХ. является для данного полупроводника функцией уровня легирования, что позволяет, исходя из ВЧ характеристики, определять уровень легирования полупроводника.
  3. Если инверсионный слой не успевает образовываться за время действия импульсов напряжения смещения (например, при подаче его в виде прямоугольных импульсов), то в основном будет падать на обеднённой области полупроводника, которая расширяется при росте . Это приводит к монотонному спаду и ёмкости МДП-структуры (кривая 3, рис.1.7.). Эта ВФХ носит название неравновесной ВФХ.
Рис.1.7. ВФ характеристики МДП-структуры в зависимости от условий измерений: 1- низкочастотная ВФХ, 2- высокочастотная ВФХ, 3- неравновесная ВФХ.

1.5. Реальная Si-SiO2 – МОП-структура.

Из всех известных МДП-структур наиболее важными являются структуры металл- SiO2-Si (МОП). В реальной структуре разность работ выхода металл-полупроводник отлична от нуля и обуславливает сдвиг вольт-фарадной характеристики МДП-структуры в сторону положительных напряжений при или в сторону отрицательных напряжений при на величину .
Многие исследователи считают [3], что границу раздела следует рассматривать как некий переходной слой с переменным химическим составом. На границе монокристаллического кремния находится моноатомный слой нестехиометрического (; стехиометрической окиси кремния соответствует ) , представляющий из себя не полностью окисленный кремний. Затем следует промежуточный слой с большими внутренними механическими напряжениями толщиной 10-40А. В первую очередь это объясняется различием (почти на порядок) коэффициентов расширения кремния и диоксида кремния, так как плёнка оксида выращивается при повышенной температуре. Охлаждение структуры SiO2-Si приводит к возникновению механических напряжений и, следовательно, вызывают деформацию структуры (пленка SiO2 сжата, а поверхностная часть пластины Si растянута). Причиной возникновения механических напряжений в структуре SiO2-Si может быть также и различие в строении материалов полупроводника и диэлектрика. Затем этот слой переходит в обычный ненапряженный стехиометрический аморфный . Отличие характеристик реальных МДП-структур от соответствующих зависимостей идеальных МДП-конденсаторов также обусловлено существованием зарядов в окисле. В настоящее время принята следующая классификация этих зарядов и ловушек [4] (рис.1.8.):
Рис.1.8. Классификация зарядов, присутствующих в термически окисленном кремнии.
1) Заряд подвижных ионов в системе кремний-термическая двуокись кремния обычно связывают с ионами щелочных металлов [5], которые могут дрейфовать под действием электрического поля в окисле при температурах выше 100єС, а в некоторых случаях и при более низких температурых [6]. Исследования показали, что их концентрация повышена вблизи межфазовых границ раздела и величина этой концентрации существенно больше той, которая обнаруживается по их электрической активности, т.е. по влиянию на изменение поверхностного заряда в МДП структурах. Большая часть атомов находится в нейтральном и неподвижном состоянии, входя в комплекс типа . При повышенных температурах под действием электрического поля атомы щелочных металлов могут выйти из состава этих комплексов и перемещаться в двуокиси кремния в виде ионов. Скорость их дрейфа уменьшается с ростом ионного радиуса металла и она максимальна для лития и натрия. Основной причиной ионной нестабильности МОП-структур являются ионы натрия, что вызвано его большой распространённостью в материалах технологического оборудования.
Смещение CV-характеристик происходит в направлении, соответствующем миграции ионов в окисле. По закону Гаусса сдвиг напряжений плоских зон, обусловленный зарядом подвижных ионов, составляет:
,
(44)
где - эффективный заряд подвижных ионов, приходящийся на единицу площади границы раздела; - объёмная плотность заряда подвижных ионов.
Основным способом исключения ионного дрейфа в окисле является применение комплексообразующих агентов типа фосфора. Слой фосфоросиликатного стекла поверх двуокиси кремния геттерирует ионы натрия и действует как барьер, препятствующий перемещению ионов натрия к границе Si -SiO2. Энергия активации ионов может быть повышена добавкой хлора или хлоросодержащих соединений при окислении кремния в атмосфере сухого кислорода.
2) Фиксированный поверхностный заряд - заряд, характерный для системы кремний - термическая двуокись кремния. Имеет следующие свойства:
Предполагается [7], что фиксированный заряд обусловлен либо избыточным (трехвалентным) кремнием , либо избыточным (несвязанным, потерявшим один электрон) кислородом в приповерхностном слое SiO2.
На рис.1.9. приведена идеальная ВЧ вольт-фарадная характеристика и сдвинутые вдоль оси напряжений вольт-фарадные зависимости в результате присутствия либо положительного, либо отрицательного фиксированного заряда на границе раздела. В большинстве случаев этот заряд положителен, а его величина зависит от ориентации подложки, технологических режимов окисления и отжига структур.
Рис.1.9. Сдвиг CV-характеристик вдоль оси напряжений, обусловленный положительным или отрицательным фиксированным зарядом окисла для полупроводника n-типа.
Положение этих кривых характеризует так называемый сдвиг напряжения плоских зон, определённый по отношению к CV-характеристике идеальной МОП-структуры с . Вне зависимости от типа подложки положительный заряд сдвигает CV-характеристику в сторону отрицательных напряжений смещения, а отрицательный заряд - в сторону положительных смещений. Абсолютная величина сдвига:
.
(45)
3) Заряд поверхностных состояний локализован на границе раздела Si -SiO2. Поверхностные состояния изучали Тамм [8] и многие другие авторы [9]. Первое экспериментальное доказательство существования поверхностного заряда получили Шокли и Пирсон [10] при измерениях поверхностной проводимости. Измерение на чистых поверхностях, полученных в сверхвысоком вакууме [11] показывают, что в этом случае плотность чрезвычайно велика: порядка числа атомов на свободной поверхности кристалла (). В МОП-структурах, получаемых термическим окислением кремния, подавляющая часть поверхностного заряда нейтрализуется в процессе релаксации оборванных связей и дальнейшего низкотемпературного отжига (450єС) в атмосфере водорода. Поскольку энергетические уровни состояний, захватывающих поверхностный заряд , непрерывно распределены в запрещенной зоне полупроводника, полезной характеристикой является энергетическая плотность поверхностных состояний
.
(46)
В лучших образцах величина не превышает , что соответствует одному захваченному заряду на каждые атомов границы раздела.
Заряд поверхностных состояний изменяется с изменением поверхностного потенциала полупроводника. Он включает различные типы поверхностных состояний, проявляющиеся как дискретные энергетические уровни непрерывно распределённые по запрещенной зоне. Обычно эти состояния называются быстрыми, т.к. они берут своё название из того факта, что ловушки свободных носителей, локализованные в окисле находятся в прямой электрической связи с кремнием и быстро отвечают на изменение поверхностного потенциала. Если же поверхностные состояния расположены на расстоянии 10нм и более от межфазной границы раздела, то время их перезарядки будет составлять миллисекунды и более. Такие поверхностные состояния называются медленными ПС.
Поверхностные состояния считаются донорными, если, отдавая, электрон, они становятся нейтральными или положительно заряженными. Акцепторными называются поверхностные состояния, которые становятся нейтральными или отрицательно заряженными, захватывая электрон.
При изменениях приложенного к МДП-структуре напряжения положение энергетических уровней поверхностных ловушек изменяется, следуя за смещение краев разрешённых зон полупроводника на границе раздела, в то время как положение уровня Ферми остаётся неизменным. В результате происходит изменение зарядового состояния этих ловушек (в первом приближении можно считать, что оно происходит, когда энергетический уровень ловушки пересекает уровень Ферми).
Индуцированный напряжением смещения заряд распределяется между слоем пространственного заряда и поверхностными состояниями.
.
(47)
Тогда формула для полной ёмкости реальной МДП-структуры будет следующей (на рис.1.9. показана соответствующая электрическая схема):
,
(48)
где - ёмкость поверхностных состояний.
Рис.1.9. Эквивалентные электрические схемы, учитывающие влияние поверхностных состояний, и связанны с плотностью поверхностных состояний.
На этом рисунке эквивалентные ёмкость и сопротивление зависят от поверхностного потенциала и описывают перезарядку поверхностных состояний. Произведение определяет время релаксации заполнения поверхностных ловушек и частотную зависимость процесса перезарядки поверхностных состояний.
Наличие достаточно большого заряда, захваченного поверхностными состояниями, ведёт к сдвигу СV-кривой вдоль оси напряжений и изменяет ее наклон .
Наиболее важное влияние на плотность поверхностных состояний оказывают условия, при которых происходит процесс окисления. Термически выращенная окись кремния имеет лучшие свойства, чем окислы, полученные другими методами. Величина плотности поверхностных состояний оказывается однозначно связанной с ориентацией окисляемых пластин кремния. При одинаковых условиях окисления она минимальна при ориентации кремния (100) и максимальна для ориентации (111). Для уменьшения плотности поверхностных состояний образец может быть отожжён в атмосфере водорода, либо в атмосфере инертных газов.
4) Заряд, захваченный в окисле . Этот заряд возникает, например, при рентгеновском облучении структур или инжекции горячих электронов в диэлектрик. Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены по толщине окисла.
Ловушки обычно нейтральны, но могут заряжаться, захватывая электроны и дырки, при условии протекания тока через диэлектрик. Радиационно-индуцированные ловушки могут генерироваться как в процессе эксплуатации прибора, так и в технологическом цикле под воздействием различных операций, таких как ионное легирование, катодное распыление диэлектриков и металлов. Заряд в окисле отжигается при температуре выше 300єС [12]. В условиях измерения ВФХ нет зарядового обмена с полупроводником.
Этот заряд тоже приводит к сдвигу CV-характеристик МДП-конденсатора:
,
(49)
где - эффективная поверхностная плотность заряда, приведенная к единице площади границы раздела Si -SiO2; - объёмная плотность заряда, захваченного в окисле; d – толщина диэлектрика.
Итак, величину всех этих зарядов обычно относят к единице площади границы раздела, т.е. измеряют в единицах .
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации