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 моноэнергети-ческих 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 (А1) — 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. При исследовании частотных свойств в [3] было показано, что у подобных структур влияние ПС и МУ на потери сигнального заряда на разных частотах импульсов (/Д 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_n > 1 МГц).

В [4] показано, что при исследовании диэлектриков и полупроводников методами термостимулированных токов деполяризации (ТСТД), когда токи измеряются в виде пиков (рис. 1), эти пики можно описать одним из следующих выражений, несущих информацию о частотном факторе и порядке кинетики зарядовых процессов на МУ:

т

/(7)= -(qoV^L) (1 -r/Z) n^ exp^E^kT- J(oVP) ехр^Д/^Т] ^ ^ Ъ в случае кинетики первого порядка (m = 1, см. рис. 1),

Т

Д7)= -ZoCVt/To)) ехр(-£Д7) [1+ |(_ю,т,)/(РтХГ₀)) exp^W)^]'²

в случае кинетики второго порядка (т = 2), /(/^(^pAW^yPeEoZ-Ay (1-г/£) ехр(-£Д7) [Л'(7)]/[1-Я’(Л]2 ’           <3> где

Л'(7)=лю/(л_ю+Л/,) ехр[- (gp2W)/(ESo №) ехр^-ЕДТ^Т^

в случае промежуточной кинетики.

Здесь

q — единичный заряд;

к —  постоянная Больцмана;

Т —  абсолютная температура;

N_ss — плотность поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводника;

г и L — толщины области локализации объемного заряда и образца;

п_ю — начальная концентрация носителей заряда, локализованного на ловушках;

Р —  скорость нагрева образца;

Е, —  энергия активации моноэнергетического уровня;

1_а — начальное значение термостимулированного тока;

Тр т, — время пролета и захвата свободных носителей заряда на ловушки;

Ти Т_о — текущая и начальная температуры;

е и е₀ — диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная;

N_c — эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;

М, — концентрация глубоких ловушек, не опустошающихся при нагревании;

ш(и<вэ — частотный фактор опустошения ловушек и эффективный частотный фактор, соответственно.

Рис. 1. Спады пиков ТСТД для различных значений порядка кинетики процессов на МУ:

1 — для m = 1; 2 — промежуточный случай; 3 — для m = 2

В случае когда зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (1), имеет место слабый перезахват носителей заряда, для которого справедливо соотношение <оэ = о,.

Если зарядовые процессы в слоистых структурах описываются выражением (2), то в этом случае имеет место сильный перезахват носителей заряда, для которого шэ= со(т/т. (т, — время рекомбинации носителей заряда).

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 также иметь достоверную информацию о плотности разрешенных состояний в запрещенной зоне полупроводника исследовавшихся слоистых структур (NJ, которая в нашем случае была определена методами емкостной спектроскопии и для исследовавшихся структур имела значение 5 • 10¹⁰ эВ^-1 см^-2. Эксперименты проводились с применением термоочистки пиков термостимулированного тока от фонового заряда, включая заряд, захваченный на ПС.

В [4] также приводится соотношение, позволяющее определить энергию активации моно-энергетического уровня Е, и эффективный частотный фактор со_э:

т(7)=®э 1 exp(Et/kT) > где т(7) определяется для нескольких точек пика термостимулированного тока т(Т') (рис. 1) по соотношению:

00 т(/)= J/(7)t/r/p 7(7)

В координатах (1Д Г; 1пт) зависимость времени релаксации носителей заряда т от температуры Т представляет собой прямую (рис. 2), по которой определяется энергия активации моноэнергетическо-го уровня (Е= tga) и частотный фактор ®_з (по пересечению построенной прямой с осью ординат).

Рис. 2. Прямая в координатах к^/кТ; 1пт) для определения характеристик центров захвата носителей заряда на МУ

Полученная опытным путем зависимость неэффективности переноса зарядовых пакетов от эффективного частотного фактора е_и(ш_э) для различных значений m при постоянном значении частоты импульсов переноса (^ = 10 МГц) приведена на рисунке 3 (значения е_я определялись методом одиночного импульса [2]). Характер зависимостей в данном случае такой же, как у аналогичных зависимостей, приведенных в [3].

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

е55 =М l+(m-l) lkTm / EJ 7 \кТ^ / ЕД ®э ■ m«2

Рис.З. 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 (для т « 2 он менее явно выражен, чем для т ® 1,5 в [3]), что объясняется более сильным перезахватом носителей заряда в процессе его переноса. При наличии слабого перезах-вата носителей заряда (когда т « 1), зависимость е„(о)_э) изменяется существенно (она такая же, как в [3]). 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.