Граница полупроводник—диэлектрик

Свойства среды, с которой граничит полупроводник, оказывают влияние на свойства приповерхностного слоя. Примером могут служить границы (контакты) полупроводников с металлами, рассмотренные в предыдущем разделе. Как было показано, наличие металла на поверхности полупроводника приводит к образованию в последнем обедненных или обогащенных слоев. Аналогичные процессы имеют место на границе полупроводника с диэлектриком.

Особый интерес представляет граница кремния с двуокисью кремния Si—SiO₂, поскольку поверхность всех современных полупроводниковых ИС защищается окисным слоем. Кроме того, в структурах МДП, выполненных на основе кремния, в качестве диэлектрика тоже, как правило, используется слой SiO₂.

Главная особенность слоев (пленок) двуокиси кремния, используемых в ИС, состоит в том, что они всегда содержат примеси донорного типа.

Наиболее распространенными примесями такого типа являются натрий, калий и водород. Все они содержатся в типовых растворах, которыми обрабатывают поверхности кремния и его окисла.

Донорные примеси, свойственные пленке SiO₂, сосредоточены вблизи границы с кремнием. Поэтому в пленке SiO₂ на границе с кремнием образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов, а отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния. Последствия такого перехода зависят как от типа проводимости полупроводника, так и от концентрации донорных примесей в диэлектрике. Поскольку донорные атомы сосредоточены в очень тонком слое диэлектрика, объемная концентрация (см^–3) оказывается неудобным параметром и вместо нее используют поверхностную концентрацию (см^–2). Характерными значениями поверхностной концентрации доноров в двуокиси кремния являются N_{Д SiO2} = (0,5–2,0)·10^–12 см^–2.

Если кремний имеет проводимость n-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, обогащают его приповерхностный слой основными носителями: образуется так называемый n-канал (рис. 3.9,а). Если же кремний имеет проводимость p-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, либо обедняют приповерхностный слой, «обнажая» отрицательные ионы акцепторов (рис. 3.9,б), либо образуют наряду с обедненным слоем тонкий инверсионный n-слой (рис. 3.9,в).

Рис.3.9. Приповерхностная структура кремния на границе с окислом:

а – обогащенный слой; б – обедненный слой;

в – обедненный слой с инверсным каналом

Возникновение незапланированных каналов под слоем SiO₂ в приборах, работающих как с использованием р-n-переходов, так и МДП, может нарушить структуру этих приборов и нормальную работу элементов ИС.