13. Маскирующие и пассивирующие свойства окисла кремния

14.Зарядовые свойства окисла кремния

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.