Влияние характеристик зарядовых процессов в твердотельных слоистых структурах на эффективность переноса заряда у приборов с зарядовой связью

Описаны усовершенствованные методики определения характеристик (частотного фактора и порядка кинетики) твердотельных структур, содержащих слои диэлектрика и полупроводника. Для структур типа «металл - поликремний - диэлектрик - полупроводник», имеющих зарядовую связь, установлена зависимость потери сигнального заряда при его переносе в приповерхностной области полупроводника от указанных характеристик.

Развитие микроэлектронных приборов в современных условиях по-прежнему требует решения проблем, обусловленных наличием примесей вблизи границ раздела твердотельных слоев подобных структур, наличием разрешенных состояний в их запрещенных зонах и моноэнергетических уровней в слоях диэлектрика и полупроводника, определяющих порядок кинетики и частотный фактор происходящих на них зарядовых процессов. В [1] показано, что наличие примеси в слое полупроводника подобных структур приводит как к появлению поверхностных состояний (ПС) в его запрещенной зоне вблизи границы раздела «диэлектрик - полупроводник», так и к формированию моноэнергетических уровней (МУ), что должно увеличивать неэффективность переноса сигнального заряда у ПЗС (то есть его потери).

В данном случае исследовались приборы с зарядовой связью (ПЗС) на основе твердотельных структур типа «металл (Al) - поликремний (Si*) -диэлектрик (SiO2) - полупроводник (Si)», которые представляют собой их периодическую последовательность, на которую подаются сдвинутые по фазе импульсы переноса зарядовых пакетов [2]. Основной характеристикой их работы, определяющей потери сигнального заряда при его переносе, является неэффективность переноса зарядовых пакетов, величина, обратная эффективности. В данной статье устанавливается влияние указанных характеристик слоистых структур на неэффективность переноса сигнального заряда у ПЗС.

Кинетика зарядовых процессов в приповерхностной области полупроводника (Si) рассматриваемых слоистых структур, являющейся зоной перемещения сигнальных зарядовых пакетов ПЗС, в значительной степени будет определяться наличием ПС и МУ в запрещенной зоне полупроводника. Влияние ПС и МУ на потери сигнального заряда на разных частотах импульсов ( f П ) переноса разное. В данном случае будет рассмотрено влияние зарядовых процессов, происходящих на МУ, на его потери при переносе у ПЗС. Эти процессы доминируют в области более высоких частот импульсов переноса заряда (когда f > 1 МГц).

В [3] показано, что при исследовании диэлектриков и полупроводников методами термостимулированных токов деполяризации (ТСТД), когда токи измеряются в виде пиков, эти пики можно описать одним из следующих выражений, несущих информацию о частотном факторе и порядке кинетики зарядовых процессов на МУ:

I(T ) = - ( q ^ r ² / 2 L )(1 - r / L ) n ₀ exp[ - E_t / kT - J ( ^ / e )exp( - E_t / kT ') dT '] ,      (1)

T o в случае кинетики первого порядка ( т = 1),

T

I ( T ) = - 1 o T Т f ( T o))exp( - E_t / kT )[1 + J ( шт )/ вт f ( T o))exp( - E t / kT ') dT '] ^{- 2}, (2)

To в случае кинетики второго порядка (т = 2),

I ( T ) * - ( q ² v N c M ? r ²) /(2 ^ o LN ss )(1 - r / L ) exp( - E_t / kT)[A'(T )] /[1 - A '( T )]² ,   (3)

где

T

A(T ) = n t o /( n t o + M t )exp[ - J ( q p N _c M_t )/( a ?o e N ss )exp( - E t I kT)dT '] .

T o

Здесь q - единичный заряд;

k - постоянная Больцмана;

Т - термодинамическая температура;

N_ss - плотность поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника;

r и L - толщины области локализации объемного заряда и образца;

n_t0 - начальная концентрация носителей заряда, локализованного на ловушках;

в - скорость нагрева образца;

E_t - энергия активации моноэнергетического уровня;

I 0 - начальное значение термостимулированного тока;

T f , T t - время пролета и захвата свободных носителей заряда;

T и T 0 - текущая и начальная температуры;

£ и £ 0 - диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная;

N C - эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;

M t - концентрация глубоких ловушек, не опустошающихся при нагревании;

a t и а э - частотный фактор опустошения ловушек и эффективный частотный фактор.

Если зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (1), имеет место слабый перезахват носителей заряда, для которого справедливо соотношение a t = а э .

В случае сильного перезахвата носителей заряда, (a_э=a_tт_t/т_г где T r -время рекомбинации носителей заряда) зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (2)

По идентификации спада измеренного пика ТСТД с моделями, представленными выражениями (1) - (3), определим порядок кинетики процессов т. Для адекватного использования данных моделей при исследовании свойств слоистых структур необходимо иметь достоверную информацию о плотности разрешенных состояний в запрещенной зоне полупроводника исследовавшихся слоистых структур (NSS), которая в нашем случае была определена методами емкостной спектроскопии и для исследовавшихся структур имела значение 5 • 1010эВ-1см-2. Эксперименты проводились с применением термоочистки пиков термостимулированного тока от фонового заряда, включая заряд, захваченный на ПС.

В [3] также приводится соотношение, позволяющее определить энергию активации моноэнергетического уровня E_t и эффективный частотный фактор а_э :

т ( Т ) = а - ¹ • exp( E_t / kT ) , где т ( Т ) определяется для нескольких точек пика термостимулированного тока т ( Т ') по соотношению:

г I ( Т ) t ( T ) =         dT .

Т в1 ( Т ‘ )

В координатах (1/ кТ ;1п т ) зависимость времени релаксации носителей заряда т от температуры Т представляет собой прямую (рис. 1), по которой определяется энергия активации моноэнергетического уровня ( E_t = tg a ) и частотный фактор а э (по пересечению построенной прямой с осью ординат).

Рисунок 1 - Прямая в координатах (1/ kT ;1п т ) для определения характеристик центров захвата носителей заряда на МУ

Полученная опытным путем зависимость неэффективности переноса зарядовых пакетов от эффективного частотного фактора £ _s s ( ^ 3 ) ДЛЯ различных значений m при постоянном значении частоты импульсов переноса f = 10МГц) приведена на рисунке 2. Значения £ _ss определялись методом одиночного импульса [2].

В результате анализа полученных результатов исследования было установлено полуэмпирическое выражение, определяющее влияние частотного фактора, порядка кинетики и частоты импульсов переноса зарядовых пакетов на потери заряда при его переносе:

6 ss = f_T [1 + ( m - 1)2 kT m / E t ]/[ kT ²/ E t ] ^ _э

Рисунок 2 - Зависимость неэффективности переноса зарядовых пакетов у приборов с зарядовой связью от частотного фактора для различных значений порядка кинетики

Из графиков также видно, что с увеличением порядка кинетики наклон прямой резко уменьшается, что объясняется более сильным перезахватом носителей заряда в процессе его переноса. При наличии слабого перезахвата носителей заряда (когда m ~ 1), зависимость £ _ss( &>_э ) изменяется существенно. Следовательно, для уменьшения неэффективности переноса зарядовых пакетов необходимо, по возможности, увеличивать частотный фактор и уменьшать порядок кинетики зарядовых процессов на имеющихся центрах захвата носителей заряда на МУ.