Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

происходит обеднение дырками приповерхностного слоя подложки р-типа, что приводит к расширению обедненного слоя у поверхности (рис. 8.10, иэл > и'эл) и увеличению пробивного напряжения. При больших положительных напряжениях £ / Э л ширина поверх­

но, (7п р ->- Uap п л > Unp ц . Количественный расчет напряжения пробоя был проведен в этой же работе [129] на ЭВМ интегрирова­ нием уравнений Пуассона и Лапласа для кремния и окисла соот-

Рис. 8.10. Обедненный слой коллекторного р-п перехода при разных напря­ жениях затвора.

211

ветственно. В результате было показано, что средний участок графика (рис. 8.9) может быть аппроксимирован выражением

электрод над коллекторным р+-п переходом отсутствует, а поверх­ ностные поля в высокоомной n-области создает положительный заряд в окисле QSÏOJÇ « (1—5) 10й см"2 . Под действием положи­ тельного заряда в пленке Si02 в поверхностном слое n-области по­ вышается концентрация электронов (образуется слой накопления), р-п переход у поверхности сужается. В результате пробивное на­ пряжение реального коллекторного р+-п перехода всегда оказы­ вается несколько ниже аналогичного напряжения для цилиндриче­ ского и сферического р+-п переходов без положительного заряда в окисной пленке. Величина заряда в окисной пленке определяет­ ся в основном концентрацией ионов натрия, которые присутствуют в небольших количествах в растворах травителей и на стенках труб диффузионных печей.

В работе[130] впервые показано, что на пробивное напряже­ ние планарных р+-п переходов существенное влияние оказывает также миграция отрицательных ионов неизвестной природы по поверхности окисла в краевом электрическом поле р-п перехода. Автором этой работы [130] обнаружен дрейф пробивного напряже­ ния во времени, когда р+-п переход находится в режиме пробоя. Величина Unp возрастает обычно при толщинах окисла X = 1 мкм на 20%, а в некоторых случаях (при толщинах окисла 0,3 мкм) даже в несколько раз. После выключения внешнего напряжения на­ пряжение (Уп р в течение длительного времени (несколько дней при комнатной температуре) возвращается к своему первоначальному низкому значению. Повышение температуры ускоряет этот процесс. Процесс возвращения (7 п р к первоначальному значению описывает­ ся следующим законом:

212

напряжения в момент t после снятия внешнего напряжения на р-п переходе. Энергия активации этого процесса АЩ оказалась равной 0,35 эВ, что значительно меньше энергии активации для диффузии ионов натрия в окисной пленке AS « 0,7—1,3 эВ [5]. Причины по­ вышения (7 п р при выдержке р-п перехода под обратным напряже­ нием смещения можно понять, если рассмотреть поведение отрица­ тельных ионов на поверхности пленки Si02 . На рис. 8.11, а показан р+-п переход при нулевом смещении и с равномерно распределенной плотностью отрицательных ионов. Под действием краевого поля р+-п перехода при подаче достаточно большого обратного напряже­ ния смещения Üp.n < 0 отрицательные ионы перемещаются по по­ верхности окисла к я-области, находящейся под положительным по­ тенциалом (рис. 8.11, б). Повышенная концентрация отрицательных ионов над «-областью создает обедненный электронами приповерх­ ностный слой в высокоомной «-области. Ширина р-п перехода в при­ поверхностной области возрастает, напряженность поля в этой части р-п перехода убывает, и, следовательно, пробивное напряжение стре­ мится к пробивному напряжению плоского ступенчатого р+-п пере­ хода. Очевидно, с уменьшением толщины окисла напряженность кра­ евого поля р+-п перехода у поверхности пленки Si02 увеличивается, накапливается большое количество отрицательных ионов над «- областью и значительно возрастает напряжение {Уп р . После снятия обратного напряжения смещения на переходе отрицательные ионы за счет сил взаимного отталкивания снова равномерно перераспре­ деляются по поверхности окисла, и обедненный слой на поверхности n-области исчезает. Следовательно, (Уп р возвращается к своему пер­ воначальному значению до выдержки р+-п перехода под смещением.

Другим не менее важным поверхностным" явлением, снижающим пробивное напряжение планарного р-п перехода по сравнению с ана­ логичным напряжением плоского резкого р-п перехода, считают

213

Рис. 8.12. Зависимость заряда QsioJQ' необходимого для ин­ версии кремния р-типа, от концентрации акцепторов [133J.

Помимо вышеперечисленных факторов, влияющих на пробой планарных р-п переходов, имеется множество других явлений, так или иначе связанных со спецификой планарной технологии.

Известно нежелательное влияние дислокаций на пробой р-п перехода, заключающееся в образовании неравномерностей поля и снижении пробивных напряжений вследствие аномальных выбро-

214

сов напряженности поля в районе скопления дислокационных дефек­ тов. Исследования [134, 135] показывают, что пробивное напряжение однозначно связано с плотностью дислокаций как имеющихся в ис­ ходном материале, так и образующихся при термообработках в про­ цессе создания структур методом диффузии. В планарном транзисторе всегда имеет место аномальное накопление дислокаций вблизи края диффузионной маски.

Напряжение пробоя снижается также под действием механиче­ ских напряжений в р-п переходе [136]. В планарном р-п переходе такие напряжения возникают на границе Si—Si02 вследствие разли­ чия коэффициентов расширения кремния и окисной пленки, что так­ же способствует образованию дефектов и возникновению пробоя.

Следует остановиться также на влиянии металлических приме­ сей, вносимых в полупроводниковый материал в процессе изготов­ ления структур с р-п переходами. Определенное количество приме­ сей тяжелых металлов Au, Си, Ni обычно приводит к появлению так называемого «мягкого» пробоя [137, 138], когда обратный ток плав­ но, но быстро нарастает с напряжением.

Таким образом, реальный планарный р-п переход обладает по­ ниженным напряжением пробоя по сравнению с идеальным резким цилиндрическим или сферическим р-п переходом, что связано как с влиянием поверхности, так и с другими особенностями планарной технологии. Например, реальный коллекторный р-п переход планарного транзистора не во всех случаях можно считать резким. При боль­

линейным или плавным. Для цилиндрического линейного р-п пере­ хода, как показано в [125], в отличие от случая ступенчатого (резко­ го) цилиндрического р-п перехода, пробивное напряжение не зави-

215