Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 10, стр. 1034-1037

Модификация электронных свойств границ раздела (ГР) в структурах металл–диэлектрик–полупроводник после ионной поляризации изолирующего слоя – это известная особенность кремниевых планарных транзисторов. В результате поляризации возникают сдвиги пороговых напряжений открытия каналов инверсии за счет накопления встроенного заряда [1], изменения зонной структуры проводящих путей из-за образования высокой концентрации примесных локализованных состояний у ГР полупроводник–диэлектрик [2, 3]. При планарно-неоднородной поляризации открываются возможности создания регулярного распределения локализованного заряда с двумерным потенциальным рельефом, формирующим у поверхности полупроводника различные квантово-размерные наномасштабные области [4, 5]. Было обнаружено [6, 7], что ионная поляризация транзисторных структур металл–окисел–полупроводник (МОП) приводит к увеличению в разы эффективной подвижности электронов в канале инверсии у ГР Si–SiO₂. Это явление для каналов n‑типа было объяснено образованием нового пути электропереноса по поверхностной примесной зоне, связанной с делокализованными D^– состояниями, которые генерируются нейтрализованными ионами, расположенными в изолирующем слое у ГР с полупроводником [8]. Поскольку положительно заряженные ионы не могут образовывать с дырками связанных состояний, то поляризация окисла, контактирующего с каналом инверсии p-типа, должна давать другую, по сравнению с [8], картину изменения проводящих свойств. Цель данной работы – экспериментально исследовать этот вопрос.

Опыты проводили аналогично исследованиям работы [8] с помощью компьютеризованной установки [9] на Si-МОП-транзисторах с дырочным каналом инверсии, с толщиной термического подзатворного окисла h = 1000 Å, шириной электродов исток-сток W = 1 мм и расстоянием между ними L = 10 мкм. Объекты формировали по стандартной кремниевой технологии. Измерения вольт-амперных характеристик проводили на пилообразных импульсах от генератора фирмы Agilent 3322А со скоростью полевой развертки β = = 0.32 В/с при амплитуде напряжения на затворе |V_g| = 10 В и постоянном смещении на стоке V_d = = –0.01 В. Так же, как и в работе [8], поляризацию и деполяризацию окисла осуществляли при напряжениях на полевом электроде V_g = 10 и –10 В соответственно и на стоке V_d = –0.01 В в течение одного часа при температуре 420 К.

После полевых и температурных воздействий образец помещали в криомагнитную безжидкостную систему, позволяющую измерять токи и напряжения в диапазоне температур от 6 до 300 К и в магнитных полях до 8 Тл [10]. Чтобы избежать дрейфа ионов в сильных электрических полях, проводимость канала инверсии измеряли при температурах не выше 200 К; при этом их значения контролировались терморегулятором Lakeshore 335 с точностью 0.01 град.

На рис. 1 представлены зависимости токов в канале инверсии I_d от напряжения затвора V_g после поляризации и деполяризации при различных температурах. Как и в ранее выполненных работах [6–8], для наблюдения за влиянием всех воздействий на проводимость инверсионного канала была использована эффективная подвижность свободных носителей заряда

определяемая на квазилинейном участке соответствующей характеристики ${{I}_{d}}\left( {{{V}_{g}}} \right)$ (см. рис. 1), где $\sigma = \left( {{{{{I}_{d}}L} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{I}_{d}}L} {W\left| {{{V}_{d}}} \right|}}} \right. \kern-0em} {W\left| {{{V}_{d}}} \right|}}} \right)$ – омическая проводимость канала, ${{I}_{d}}$ – ток в цепи исток–сток, ${{C}_{i}}$ – емкость подзатворного изолирующего слоя окисла кремния.

В отличие от транзисторов с каналами n-типа в наших условиях после поляризации ток ${{I}_{d}}$ по модулю при одинаковых значениях полевого напряжения V_g резко (в разы) меньше, чем после деполяризации, а величина $\mu $ не увеличивается, а наоборот, существенно уменьшается (см. ниже). Переход из деполяризованного в поляризованное состояние существенно сдвигает порог открытия канала. Данная область токов ${{I}_{d}}$ показана на рис. 2. Смещение порогового напряжения уменьшается с понижением температуры от 3 В при 200 К до 1.5 В при 100 К. Эти цифры соответствуют увеличению концентрации положительного встроенного заряда у ГР Si–SiO₂ после поляризации из деполяризованного состояния на 6.5 × 10¹¹ см^–2 (200 К) и 3.2 × 10¹¹ см^–2 (100 К). По-видимому, такая заметная разница значений концентраций локализованных у ГР Si–SiO₂ зарядов обусловлена не стационарностью процесса открытия канала при низких температурах: изначально при ${{V}_{g}} \approx 0$ ионы в достаточной мере нейтрализованы [11–13], а рекомбинация захваченных на них электронов, по крайней мере, в областях сгустков примесных частиц, запаздывает по отношению к развертке полевого напряжения dV_g/dt = –0.32 В/с. Данному предположению отвечает и заметно более широкий участок нелинейной зависимости ${{I}_{d}}\left( {{{V}_{g}}} \right)$ в поляризованном состоянии после открытия канала при 100 К (см. рис. 1, кривая 6). Как и в работе [8], исследованные образцы имели высокие токи утечки в цепи затвор-подложка, что не позволило непосредственно определить концентрации перетекших ионов как интеграл тока в этой цепи по времени. Поэтому, несмотря на известные ограничения точности такого подхода (см. [3]), будем опираться на данные по сдвигу напряжения открытия канала при 200 К и считать результатом поляризации накопление у ГР Si–SiO₂ 6.5 × 10¹¹ ионов на 1 см² данного контакта.

На рис. 3 представлены температурные зависимости эффективной подвижности дырок µ в поляризованном и деполяризованном состояниях. После поляризации величина $\mu $ заметно меньше, чем после деполяризации, для температуры 200 К соотношение 395 см²/(В · с) по сравнению с 800 см²/(В · с). При охлаждении подвижность растет в поляризованном состоянии по закону $\mu \propto {{Т}^{{ - 1.6}}}$ и при 100 К достигает 1270 см²/(В · с); в деполяризованном состоянии – $\mu \propto {{Т}^{{ - 0.9}}}$ и 1560 см²/(В · с) соответственно. Такое поведение эффективной подвижности в канале инверсии свойственно смеси двух механизмов рассеяния свободных носителей заряда – на акустических фононах и на заряженных примесях и ловушках [14]. Вывод о реализации электропереноса свободными дырками согласуется и с условием определения величины $\mu $ – в области полевых напряжений вдали от порога открытия канала.

На рис. 4 показаны зависимости эффективной подвижности в канале инверсии транзистора от магнитного поля в диапазоне 0…4.5 Тл. И в деполяризованном, и в поляризованном состояниях эти зависимости относительно слабые: при 200 и 150 К с ростом магнитного поля эффективная подвижность уменьшается на 6…20%, а при 100 К – на 20…30%. Магнитное поле практически не изменяет порог открытия канала инверсии. Такое поведение поверхностной проводимости характерно для гальваномагнитных явлений в невырожденных газах свободных носителей заряда в случае относительно слабых, не квантующих магнитных полей [15]. Этот вывод подтверждается и конкретными экспериментальными данными: в магнитном поле B = 4.5 Тл диаметр основной циклотронной орбиты равен 12 нм, что больше длины свободного пробега дырок в Si, а значение параметра µ × B составляет 0.36 (200 К), 0.62 (150 К), 0.7 (100 К).

Таким образом, после ионной поляризации изолирующих слоев p-канальных Si-МОП транзисторов у ГР Si–SiO₂ накапливается дополнительный положительный встроенный заряд c концентрацией 6.5 × 10¹¹ см^–2. При небольших полевых напряжениях до открытия канала инверсии проводимость в цепи исток-сток реализуется за счет термоактивации носителей заряда на уровень протекания в неупорядоченном потенциале, связанным с хаотическим распределением ионов вдоль ГР [16]. Канал открывается при пересечении уровня Ферми дырок на поверхности полупроводника с уровнем протекания в хаотическом потенциале. При достаточно больших напряжениях ${{V}_{g}}$ поверхностные неоднородности встроенного заряда в значительной мере экранированы свободными дырками, а присутствие ионов проявляется в виде дополнительных рассеивающих центров. Поэтому и реальная подвижность свободных носителей заряда, и эффективная подвижность в канале инверсии транзистора после поляризации существенно меньше, чем после деполяризации. Отметим, что поляризованное состояние окисла достаточно устойчиво и длительно (более месяца) сохраняется при температурах ниже 250 К даже после подачи на полевой электрод деполяризующих напряжений. Это обстоятельство может быть использовано при разработке и создании элементной базы устройств записи и стирания информации.