WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Вольт-амперные характеристики туннельных МОП диодов Al/SiO2/p-Si с пространственно неоднородной толщиной диэлектрика © М.И. Векслер, С.Э. Тягинов, А.Ф. Шулекин¶, И.В. Грехов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 22 декабря 2005 г. Принята к печати 26 января 2006 г.) Изучается влияние неоднородности распределения толщины диэлектрика на поведение туннельных МОП структур Al/SiO2/p-Si с толщиной диэлектрика 1–4 нм. Характер и степень этого влияния зависят от прикладываемого напряжения. При любых условиях наличие неоднородности толщины SiO2 увеличивает сквозные токи по сравнению с токами через однородный окисел той же номинальной толщины. Кроме того, в режиме инверсии изменяется потенциал инверсионного слоя. При расчетах учитываются туннельный перенос между зоной проводимости Si и металлом, между валентной зоной Si и металлом (в том числе в режиме инверсии — резонансный транспорт, из-за неоднородности толщины он проявляется менее отчетливо), а также туннелирование зона–зона в полупроводнике.

PACS: 85.30.Mn, 73.40.Qv, 73.40.Gk 1. Введение количественно и даже качественно по-разному в разных режимах.

Структура металл–окисел–полупроводник (МОП) с SiO2 в качестве диэлектрика является одним из важней2. Локальная модель туннельного МОП ших объектов исследования современной технической диода физики полупроводников. В русле общих тенденций миниатюризации элементной базы электроники При расчете вольт-амперных характеристик прибора наибольший интерес в настоящее время представляют используется локальная модель МОП структуры (для МОП структуры со средней толщиной диэлектрика d = const) в комбинации со статистическим описанием dn (1-4) нм, которые, несмотря на наличие сквозного разброса толщины (формула (1)). Локальные модели туннельного тока, могут использоваться в затворной разработаны как для режима обогащения [7], так и для секции полевых транзисторов [1–3]. Уточнение относислучая обратного смещения [8]. Во всех ситуациях тельно „средней толщины“ необходимо, так как любая — учитывается туннельный перенос между зоной пропленка имеет некоторый разброс локальной толщины d, водимости Si и металлом, ток jcm, а также между характеризуемый стандартным отклонением d; в случае валентной зоной Si и металлом, ток jvm;

SiO2 он обычно составляет 0.1–0.3 нм [3–5].

— учитывается возможность туннелирования внутри В настоящей работе мы примем, как это сделано кремния [8], в том числе (в режимах инверсии) зона–зов [4–6], что величина d (d > 0) распределена по закону на, ток jbb;

Гаусса, — вероятности туннелирования через SiO2 (Tox) и в кремнии (Ts ) записываются как функции полной энергии 1 (d - dn) (d) = exp -, (1) частицы E и ее поперечного волнового вектора k, 2d 2d вводимого через „поперечную“ энергию E в Si.

Эффект квантования в индуцированном обогащенном и проведем анализ влияния пространственной неодноили инверсионном слое родности толщины на электрические характеристики — рассматривается в рамках „одноуровневой“ модетуннельных МОП структур Al/SiO2/p-Si. Актуальность этого вопроса повышается по мере уменьшения dn ли [7] или [9] при расчете зонной диаграммы;

— рассматривается в квазиклассическом многоуровв современных приборах. Кроме того, рассмотрение невом приближении при анализе резонансного тунвлияния параметра d небезынтересно и для изученелирования (тока jres ) [10] по пути валентная зоmv ния последствий повреждения туннельно-тонкого слоя на Si – дискретные уровни в зоне проводимости Si –меSiO2, поскольку при деградации окисла разброс его талл;

толщины эффективно увеличивается. Интуитивно можно — игнорируется при анализе межзонного туннелироожидать, что из-за сильной зависимости вероятности вания в Si, но при этом вводится фактор [11], описываютуннелирования от d ток будет резко увеличиваться с щий снижение плотности состояний.

ростом d при фиксированном среднем значении dn.

Такой подход обеспечивает компромисс точность– Однако, как будет показано далее, указанный эффект удобство и на практике не приводит к заметным несоможет проявляться более сложным образом, причем ответствиям [8]: квантование учитывается тогда и в той ¶ E-mail: shulekin@mail.ioffe.ru мере, как это необходимо.

8 1138 М.И. Векслер, С.Э. Тягинов, А.Ф. Шулекин, И.В. Грехов Рис. 1. Энергетические зонные диаграммы поперечного сечения туннельной МОП структуры Al/SiO2/p-Si в различных режимах с обозначениями, используемыми в тексте. Величина qUF является единой для всей площади структуры.

Сводка основных формул локальной модели приведе- подложка характеризуется единым уровнем Ферми для на в Приложении. электронов и дырок:

Параметрами локальных моделей, помимо d и уровV > VFB, qUF = qV. (3) ня легирования NA, являются приложенное смещение V (V > 0 означает „+“ на подложке) и разность В данном режиме диодная МОП структура ведет себя qUF = EFm - EFc между уровнем Ферми в металле и как эффективный инжектор горячих электронов в Si квазиуровнем Ферми для электронов Si (рис. 1).

(одно из любопытных проявлений этого — видимая электролюминесценция прибора [12]).

Неоднородность распределения толщины никак не 3. Средняя плотность тока в МОП влияет на величину qUF, которая может быть испольструктуре зована в локальной модели для всех d. За счет большого вклада относительно тонких мест структуры в полный При учете распределения толщины окисла d по пло ток наличие d = 0 приводит к росту тока дырок из щади прибора (1) средняя плотность сквозного тока в обогащенного слоя в металл, а также тока электронов любых условиях записывается как j = jcm + jvm + = [ jcm(d) + jvm(d)] (d)d. (2) В принятом в работе приближении значение qUF считается единым для всей площади МОП структуры. Однако в различных режимах наличие d = 0 по-разному влияет на величину qUF, которая устанавливается при данном смещении V и для которой соответственно проводится усреднение (2).

4. Режим обогащения Рис. 2. Рассчитанные характеристики туннельных МОП Режим обогащения в системе Al/SiO2/p-Si реализуется структур в режиме обогащения. Вид кривых практически не при положительном смещении на подложке, превыша- зависит от уровня легирования подложки NA. Точки — резуль+ ющем VFB =(-m + e)/q + (рис. 1). При этом вся таты измерений для образца с dn = 2.5нм и d 0.2-0.3нм.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Вольт-амперные характеристики туннельных МОП диодов Al/SiO2/p-Si с пространственно... (неосновных носителей в кремнии) из металла. Эффект показан на рис. 2, где построены вольт-амперные кривые для нескольких d, отвечающие одной и той же dn.

Аналогичный случай режима обогащения был рассмотрен нами в [5] для структур Al/SiO2/n-Si. При этом, как и в только что разобранной ситуации с прибором на p-Si, наиболее существенная роль принадлежит компоненте jcm. Однако в структуре на n-кремнии электронный ток течет из кремния в металл и представляет собой ток основных носителей, в отличие от ситуации в p-Si.

Отметим в качестве дополнения, что, хотя электронный ток из металла значительно превосходит дырочную составляющую по абсолютной величине, увеличение d приводит к относительно более выраженному росту Рис. 3. Рассчитанные характеристики туннельных МОП именно jvm, а не jcm, что означает снижение коэфструктур в модели обеднения (в несколько более широком фициента инжекции.

диапазоне, чем задается условием чистого обеднения). Для NA = 2 · 1017 см-3 зависимости от d нет. Точки — результаты измерений для образца с dn = 2.5нм, d (0.2-0.3) нм, 5. Режим обеднения NA = 2 · 1018 cm-3.

В локальной модели (d = dn = const) чистое обеднение реализуется в условиях 0 < V < VFB или же при относительно небольшом обратном напряжении (V < 0), Отметим, что величины jdiff и jth (в отличие от пока qs < Eg. Мы ограничимся здесь рассмотрением плотностей туннельных токов) почти не чувствительны области V < 0. При qs < Eg заметной поверхностной к d. Поэтому, если компонента jcm хотя и мала, но явно концентрации электронов Ns не может быть принци больше, чем jvm, то наличие d = 0 вообще не приведет пиально: само название „туннельная МОП структура“ к каким-либо отклонениям от ситуации однородной предполагает, что поступления неосновных носителей за счет токов термогенерации jth и диффузии jdiff толщины окисла. В противоположном случае jcm jvm мы имеем ситуацию, похожую на случай обогащения.

(последний возникает из-за неравенства энергий кваВариант jcm jvm более характерен для высоких NA, зиуровней Ферми для электронов и дырок, EFc = EFv) когда напряжение на окисле U может быть велико, и недостаточно для стационарного поддержания инверсии.

малых номинальных толщин диэлектрика dn.

Точное значение qUF в таком случае несущественно, Эти соображения подтверждает рис. 3, где приведены а jcm может быть без вычислений приравнен току кривые, рассчитанные в модели обеднения. При отнотермогенерации (обычно jth jdiff). С ростом NA и сительно низком уровне легирования NA зависимость от (или) dn диапазон напряжений, отвечающих обеднению, d отсутствует, но она намечается при NA = 2 · 1018 см-расширяется. Граница по |V | (V < 0) между режимами и совершенно отчетлива при 2 · 1019 см-3. Отметим обеднения и инверсии (формально определяемая условием qs = Eg появления тока межзонного туннелиро- также, что при jcm jvm ток j ( jth) снижается с увеличением NA, поскольку сужается зона генерации вания jbb) находится как неосновных носителей.

Eg dn 2s EgNA |Vd/i(dn)| = - VFB +, (4) q ox 6. Режим инверсии где s и ox — диэлектрические проницаемости полупроводника и окисла, 0 — электрическая постоянная. При Режим инверсии туннельной структуры Al/SiO2/p-Si учете неоднородности толщины эта же граница формальможет поддерживаться лишь за счет переноса зона–зона но должна соответствовать |Vd/i(0)|, т. е. подстановке в Si (ток jbb). При этом наличие d = 0 приводит:

d = 0 на место dn в (4), независимо от dn. Однако можно — к росту туннельного тока за счет тонких мест (для ожидать, что при реальных значениях d роль токов jbb, заданных UF и V );

протекающих при |V | < |Vd/i(dn)| в местах структуры — к изменению потенциала инверсионного слоя (вес наиболее тонким (d 0) SiO2, будет мала. Кроме личины UF) в сравнении с ситуацией однородного по того, при низких NA ток jbb может не проявиться и толщине окисла;

при |V | > |Vd/i(dn)|. Поскольку qUF в режиме обеднения не играет роли, при анализе влияния d = 0 различные — к искажению характеристик резонансного туннели участки прибора считаются не влияющими друг на рования — сечения структуры с разными d имеют свою друга. систему уровней энергии.

8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1140 М.И. Векслер, С.Э. Тягинов, А.Ф. Шулекин, И.В. Грехов Мы рассмотрим подробнее две последние особенности, так как первая достаточно очевидна, она проявляется и в других режимах (см., например, рис. 2).

6.1. Баланс неосновных носителей Как отмечалось в разд. 3, величина qUF является единой для всего прибора, что соответствует приближению идеально проводящего инверсионного слоя. При d = 0 она определяется из условия баланса неосновных носителей во всей структуре:

+ + ( jbb + jth + jdiff) (d)d = jcm (d)d. (5) 0 Рис. 5. Рассчитанные полные токи через МОП структуру с Ток резонансного туннелирования jres в это уравнение vm учетом инверсии, но без учета резонансного туннелирования, в входить не должен [8].

зависимости от приложенного смещения. dn = 2.5нм. Точки — Похожее условие записывалось в работе [13] для см. подпись к рис. 3.

инверсионного дырочного слоя в структуре Al/SiO2/n-Si, только там не было jbb (рассматривался лишь случай слабого легирования), а присутствовал ток ударной смещения V построены на рис. 5. С ростом d ток j ионизации, которого нет в (5), так как квантовый выход увеличивается. Это представляется естественным, хотя ионизации, вызываемый дырками, невысок.

гипотетически ввиду снижения UF (рис. 4) и локальных На рис. 4 представлены рассчитанные зависимости напряжений на диэлектрике U полный ток при d = qUF от V для нескольких уровней легирования NA и мог уменьшаться в областях, где jvm преобладает нескольких d (dn = 2.5 нм фиксирована). Как видно, над jbb. На всех кривых имеется подъем, начиная с величина |qUF| во всех случаях несколько снижается с которого межзонный перенос электронов в Si (ток jbb ) ростом d. Ясно, что при d = 0 основной вклад как в существенно влияет на поведение МОП структуры.

jcm, так и в jbb дают наиболее тонкие участки струкОднако указанный подъем соответствует значительно туры. Поэтому рис. 4 по сути отражает тот факт, что при большему смещению |V |, чем напряжение |Vd/i(dn)| уменьшении d усиливается относительная „нехватка“ (формула (4)), не говоря уже о |Vd/i(0)|. Так, например, неосновных носителей. Другими словами, отношения для NA = 2 · 1018 см-3 получается |Vd/i(dn)| = 0.72 В, в jbb/ jcm и тем более jth/ jcm убывают с уменьшением то время как особенности, связанные с формироватолщины d при фиксированных V и UF.

нием инверсионного слоя, проявляются только при Зависимости средней плотности туннельного тока j, |V | 1.5 В. В диапазоне 0 < |V | < 2 В кривые на рис. вычисленной без учета резонансного транспорта, от и 3 практически не различаются. Это частично оправдывает применение модели чистого обеднения даже при наличии jbb. Тем не менее отметим, что при наличии дисперсии толщины ток jbb начинает влиять (в частности, на величину |qUF|) при более низком напряжении |V |, чем в модели d = 0, как это особенно видно для NA = 2 · 1019 см-3.

6.2. Резонансный перенос Резонансное туннелирование электронов из валентной зоны должно активироваться при таком (отрицательном) напряжении V, что qs = Eg + E0. При этом вовлечение каждого уровня Ei (i = 0, 1,...) в резонансный перенос будет проявляться подъемом на вольт-амперной кривой, как это наблюдалось экспериментально в [8,10].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.