Немонотонность вольт-фарадных характеристик структур металл-стекло-полупроводник

С.И. Власов, А.А. Насиров, О.О. Маматкаримов, М.А. Эргашева

НЕМОНОТОННОСТЬ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУР МЕТАЛЛ-СТЕКЛО-ПОЛУПРОВОДНИК

Национальный университет Узбекистана, вузгородок, г. Ташкент, 100174, Республика Узбекистан, vlasov@uzsci.net

При изучении электрофизических характеристик структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) многие авторы наблюдали немонотонность изменения высокочастотной вольт-фарадной характеристики в области инверсионных напряжений [1], не описываемую в рамках теории емкости идеальной структуры. Особенно ярко эта немонотонность проявляется при измерении емкости структуры при достаточно низких температурах [2]. Для объяснения наблюдаемого поведения емкости привлекались модели неоднородного распределения поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны полупроводника, обусловленной флуктуацией поверхностного потенциала [3], туннельной перезарядки микрокристаллических включений, локализованных в диэлектрике на небольшом расстоянии от границы раздела полупроводник-диэлектрик [1], наличия профиля распределения глубоких примесных центров в полупроводниковой подложке [4]. Нами отмечена аналогичная немонотонность вольт-фарадных характеристик структур металл-стекло-полупроводник (МСП), изготовленных на основе кристаллического кремния, покрытого слоем свинцовоборосиликатного стекла [5]. Для установления природы наблюдаемого поведения емкости структур, изготовленных при использовании свинцово-боросиликатных стекол, были использованы пластины кремния (КЭФ - 2,5, КЭФ - 5 и КЭФ - 10 с кристаллографической ориентацией <111>) и свинцовоборосиликатное стекло типа Pb0 - SiO2 - B203 - Al203 - Ta205, с масс-процентным содержанием компонентов 49:32:15:3:1 - группа 1 и 49:30:17:3:1 - группа 2. Структуры обеих групп изготавливались по технологии, аналогично описанной в работе [6]. При исследовании использовались методы высокочастотных вольт-фарадных характеристик [7] и изотермическая релаксация емкости диодов Шоттки [8].

На рис. 1 приведена вольт-фарадная характеристика одной из исследуемых структур группы 1, снятая в темноте, при комнатной температуре на частоте 150 кГц. Из приведенной зависимости видно, что при напряжениях 5-9 В измеряемая емкость структуры выходит на горизонтальный участок, однако при дальнейшем увеличении напряжения до значений 10-14 В измеряемая емкость снова уменьшается. Во всех структурах группы 2 немонотонности вольт-фарадных характеристик не наблюдалось. Для определения влияния примесных центров, локализованных в полупроводниковой подложке, на вольт-фарадную характеристику со структур МСП химическим способом удалялся слой стекла и при помощи вакуумного распыления Au формировался барьер Шоттки. Далее при помощи метода [7] определялись концентрация и энергетический спектр глубоких центров, имеющихся в полупроводниковой подложке. Анализ полученных результатов показал, что во всех изготовленных барьерах Шоттки имеет место перезарядка глубокого центра с энергией ионизации ЕС - 0,4 эВ, концентрацией N =1-31012 см -3. Температурная зависимость постоянных времен релаксации заполнения для выявленного центра приведена на рис. 2. Величина заряда, создаваемого выявленным центром (при условии его однородного распределения по всей толщине d области объемного заряда полупроводника), может быть определена как Q = q'Nj-'Sd = 310-11 К (здесь S - площадь металлического контакта диода Шоттки). Величина заряда, создаваемая локальной неоднородностью на вольт-фарадной характеристике структуры МСП (определенная по заштрихованному участку C-V зависимости, приведенной на рис. 1), составляет Q1 = 5.10-8 К. Сравнение двух этих величин показывает, что глубокий центр с указанной концентрацией не может привести к наблюдаемой неоднородности вольт-фарадной характеристики. Следовательно, ответственным за немонотонность вольт-фарадной характеристики является слой стекла, а не полупроводниковая подложка.

© Власов С.И., Насиров А.А., Маматкаримов О.О., Эргашева М.А., Электронная обработка материалов, 2008, № 3, С. 99-101.

99

Рис. 1. Вольт-фарадная характеристика (нормализованная к величине емкости слоя стекла) структуры металл-стекло-полупроводник группы 1

Рис. 2. Температурная зависимость постоянной времени релаксации заполнения

На наш взгляд, немонотонное изменение емкости структуры металл-диэлектрик-полупроводник при инверсионных напряжениях обусловлено наличием структурного дефекта в стекле, в слое, прилегающем к границе раздела стекло-полупроводник. Указанный дефект имеет характер акцепторного центра. При достаточно больших инверсионных напряжениях этот центр захватывает дырки из сформированного инверсионного слоя. Заряд инверсионного слоя уменьшается, что приводит к расширению слоя объемного заряда полупроводника, к уменьшению его емкости и, следовательно, всей структуры. Захват дырок на акцепторный центр изменяет его зарядовое состояние, что способствует захвату на него электронов при обогащающих напряжениях.

В пользу предлагаемой модели свидетельствуют температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь, снятые в интервале температур _50+100С, при приложении к структуре обогащающего напряжения +5 В для структур, на C-V зависимостях которых наблюдается немонотонность, и для структур, изготовленных по той же технологии, но без наличия неоднородностей C-V зависимостей.

Сравнение температурных зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь показало, что во всех структурах диэлектрические потери имеют хорошо выраженный релаксационный максимум. Однако в структурах, на C-V зависимостях которых наблюдается немонотонность, релаксационный максимум сдвигается в сторону более высоких температур (-200С и +50С соответственно для структур обеих групп) и расширяется. Это указывает на увеличение сквозных потерь в стекле, обусловленных перезарядкой наблюдаемого дефекта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Литовченко В.Г., Горбань А.П. Основы физики микроэлектронных систем металл-полупроводник. Киев, 1978.

2. Winokur P.S., Bboesch Ir. Interface-state generation in radiation-hard oxides // IEEE Trans. Nuclear Science. 1980. Vol. NS-27. № 5. P. 1647-1650.

100

3. Гергель В.А., Сурис Р.А. Теория поверхностных состояний и проводимости в структурах металлдиэлектрик-полупроводник // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1983. Т. 84. Вып.2. С. 719-736.

4. Nicollian E.H., Brews J.R. MOS physics and technology. Wiley. N.-Y. 1982. P.900.

5. Власов С.И., Эргашева М.А., Рахимов Н., Тургунов Ш.Т. Не монотонные вольт-фарадные характеристики структур металл-стекло-полупроводник // Фундаментальные и прикладные вопросы физики. Труды международной конференции. Ташкент, 2004. С. 379.

6. Парчинский П.Б., Власов С.И., Тургунов У.Т. Свойства пассивирующих покрытий на основе свинцово-боросиликатных стекол // Неорганические материалы. 2002. Т. 38. № 6. C. 750-754.

7. Берман Л.С., Власов С.И., В.Ф. Морозов. Идентификация остаточных глубоких примесей в полупроводниковых приборах методом емкостной спектроскопии // Известия АН СССР. Сер. физическая. 1978. Т. 42. № 6. С. 1175-1178.

8. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л., 1981.

Summary

The nature of not monotony high-frequency volt-farad characteristics of the structures metal-glass-semiconductor is investigated. It is shown that the not monotonous change of capacity of the metal-glass-semiconductor at inverse voltage can be caused by presence of structural defect acseptors character in glass, in a layer adjoining to the separating border of the glass-semiconductor.

101