Метод короткого замыкания

В данном методе применяется электрическая схема измерения вольт-амперных характеристик. Один из электродов присоединяется к кремниевой пластине, а другой - либо к капле электролита (раствор KCl), либо к алюминиевому пятну на поверхности диэлектрической пленки. Степень сплошности пленки оценивается по величине напряжения, при котором в цепи появляется ток, или по напряжению пробоя. В случае абсолютной сплошности пленки ток в цепи отсутствует до момента резкого пробоя при напряжении U_пр = E_крx. При наличии несквозных каналов напряжение пробоя снижается. Если в пленке имеются сквозные каналы проводимости, то ток в цепи возникает при малых напряжениях и увеличивается пропорционально приложенному напряжению и площади дефектов.

Недостатки метода связаны с тем, что без специальной калибровки другими методами нельзя определить количество дефектов и установить точное их местоположение, полезной является информация о наличии несквозных дефектов.

2.3. Контроль заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик

Структурно поверхность полупроводника состоит из атомов с частично оборванными связями. Эти связи ненасыщенные, что эквивалентно энергетическим состояниям, уровни которых лежат внутри запрещенной зоны и являются акцепторными независимо от типа электропроводности объема монокристалла. Наряду с акцепторными в полупроводнике могут образовываться дополнительные поверхностные состояния в результате адсорбции атомов чужеродных жидких или газообразных веществ. В зависимости от свойств адсорбированных атомов возникающие в запрещенной зоне энергетические уровни могут быть как донорными, так и акцепторными.

Поверхность кремния после любой очистки или непродолжительного соприкосновения с воздухом покрывается пленкой окисла, которая усложняет картину энергетических уровней. Возникают уровни, зависящие от структуры окисного слоя и характера окружающей газовой среды. Все эти уровни получили название поверхностных состояний полупроводника. Плотность поверхностных состояний имеет величину 10¹² - 10¹³ см^–2, а при использовании оптимальных режимов термического окисления ее удается снизить до величины приблизительно 10¹⁰ см^–2. При термическом окислении кремния наблюдается появление положительных зарядов на границе раздела Si - SiO₂ и в объеме диэлектрика.

На основании экспериментальных данных принята следующая классификация состояний и зарядов на границе раздела Si - SiO₂.

1. Поверхностные состояния определяются как энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, способные обмениваться зарядом с объемом полупроводника в течение короткого времени. Их плотность N_ss измеряется количеством состояний на квадратный сантиметр на единичном энергетическом интервале (см^–2эВ^–1).

Причинами возникновения поверхностных состояний в присутствии диэлектрика, как и на неокисленной поверхности полупроводника, могут быть: свободные связи поверхностных атомов и другие дефекты поверхности полупроводника; примесные атомы, адсорбированные поверхностью в процессе окисления и последующих обработок образца.

Плотность поверхностных состояний N_ss зависит от кристаллографической ориентации полупроводника, состава атмосферы. (При окислении во влажном кислороде концентрации N_ss невелики - до 10¹⁰ см^–2, тогда как при окислении в сухом кислороде они могут достигать 10¹² см^–2.)

2. Неподвижный (фиксированный) заряд в окисле Q_so локализуется вблизи поверхности полупроводника (около 20 нм) и не способен перемещаться под действием приложенного нормально поверхности полупроводника электрического поля, измеряется в кулонах на квадратный сантиметр (Кл/см²).

Физическая природа неподвижного заряда в окисле Q_so объясняется наличием избыточных ионов кремния в SiO₂ и является собственным свойством поверхности раздела Si - SiO₂, т.е. не связан с посторонними ионными загрязнениями. Этот заряд присутствует только в термически выращенном окисле кремния. Он локализован в области, простирающейся не более чем на 20 нм от поверхности кремния.

3. Подвижный (медленнорелаксирующий) заряд Q_i (Кл/см²) изменяется при наличии значительного поперечного поля, совмещенного с термическими воздействиями в диапазоне умеренных температур (примерно 100 - 300 °С).

Медленнорелаксирующий заряд Q_i связан с различного рода загрязнениями и дефектами диэлектрика. Считается, что он распределен по всей толщине диэлектрика, поэтому его иногда называют объемным зарядом в диэлектрике. Одной из основных причин возникновения этого заряда является присутствие в окисле примесей щелочных металлов, в особенности натрия. Действительно, натрий - широко рассеянная в окружающей среде примесь. Подвижность его положительных ионов в SiO₂ при 100 °С и напряженности электрического поля около 510⁵ В/см столь высока, что они за несколько минут способны пройти весь слой окисла. Другой причиной появления медленнорелаксирующего заряда в окисле являются протоны H⁺.

Величина медленнорелаксирующего заряда зависит от влияния примесей металлов, органических загрязнений в диэлектрике, а также от метода получения диэлектрического слоя. Суммарный заряд на границе раздела кремний - термический окисел равен:

Q_s = Q_so + Q_ss + Q_i.

4. Заряд на ловушках в диэлектрике Q₊ возникает под действием ионизирующего излучения или большого по величине электронного тока, протекающего через диэлектрик (Кл/см²).

На границе кремния с диэлектриком, нанесенным на его поверхность, могут присутствовать три последние вида зарядов.

Основным методом контроля поверхностного заряда в системе полупроводник - диэлектрик является метод вольт-фарадных характеристик структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структур). Измерение вольт-фарадных характеристик до внешних воздействий на МДП-структуру и после них позволяет разделить различные виды зарядов в структуре и исследовать их стабильность.

МДП-структура представляет собой конденсатор, одной обкладкой которого является полупроводниковая подложка, другой - м

Рис.2.11. Структура металл - диэлектрик - полупроводник: 1 - металл; 2 - изолятор; 3 - полупроводник;

4 - контакт к подложке

еталлический электрод, разделен-ные тонким слоем изолирующего материала x 0,1 - 0,2 мкм (рис.2.11).

В МДП-структуре при отсутст-вии смещения поверхностный потенциал может отличаться от нуля. Причиной этого являются заряд на границе раздела полупроводник - диэлектрик, заряд в объеме диэлект-рика Q_s и контактная разность потен-циалов металл - полупроводник φ_Мs, приводящие в общем случае к изменению формы C(U) характерис-тики и смещению ее вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений (так как заряд в диэлектрике положительный) по сравнению с теоретической C(U) характеристикой идеального МДП-конденсатора.

Фиксированный заряд Q_so вызывает параллельное смещение C(U) характеристики относительно теоретической вдоль оси напряжений в сторону отрицательных значений.

К

Рис.2.12. Изменение вольт-фарадной характеристики МДП-структуры под действием фиксированного заряда:

1 - идеальная характеристика,

2 - реальная

роме фиксированного заряда, подобное смещение C(U) характеристики вызывает контактная раз-ность потенциалов металл - полупроводник.

Сопоставляя эксперименталь-ную и теоретическую C(U) характеристики (рис.2.12), определяется смещение одной относительно дру-гой вдоль оси напряжения U_FB на уровне C_FB (значение емкости идеальной C(U) характеристики при U = 0). Суммарный заряд в диэлект-рике и на границе раздела находится из соотношения

С

Рис.2.13. Влияние медленнорелаксирующего заряда на вольт-фарадную характеристику МДП-структуры: 1 - исходная кривая; 2 - термополевая обработка (T = 125 °С; t = 30 мин) при U = +10 В; 3 - термополевая обработка при тех же условиях, но при

U = –10 В

мещениеU_FB получило наз-вание "напряжение плоских зон" (flat band).

Медленнорелаксирующий заряд также приводит к параллельному смещению C(U) характеристик в сто-рону отрицательных значений напряжений.

При комнатной температуре и в отсутствие внешнего напряжения действия зарядов Q_i и Q_so идентичны. После выдержки МДП-структуры при повышенной температуре (100 – 300 °С) под напряжением наблюдается заметное изменение C(U) харак-теристики, которая смещается по оси напряжений в ту или иную сторону в зависимости от знака напряжения (рис.2.13). Исходная вольт-фарадная характеристика (кривая 1) переходит в кривую 2 после того, как структура Si - SiO₂ нагревалась при температуре 125 °С в течение 30 мин со смещением +10 В на металлическом электроде. Кривая 3 получена при той же термообработке, но при смещении –10 В (видно частичное восстановление вольт-фарадной кривой). Заряд Q_i оценивается по величине сдвига U_FB вольт-фарадной характеристики после термополевой обработки.