用電容和電導測量法研究SiNx/nc-Si/SiNx雙勢壘結構界面特性

王 祥

（韓山師范學院物理與電子工程系，廣東潮州 521041）

用電容和電導測量法研究SiNx/nc-Si/SiNx雙勢壘結構界面特性

王 祥

（韓山師范學院物理與電子工程系，廣東潮州 521041）

利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術,淀積a-SiNx/nc-Si/a-SiNx不對稱雙勢壘存儲結構.通過電容和電導測試研究結構的界面態特性.實驗結果表明，采用PECVD方法制備的不對稱存儲結構的界面特性良好，其界面態密度為3×1010cm-2eV-1.

界面態；不對稱雙勢壘結構；電容測量法；電導測量法

近年來，半導體納米結構引起了人們極大的興趣，特別是基于納米硅量子點的雙勢壘結構和多層膜結構.因為硅基結構可以和現代微電子技術高度兼容，可以利用現有成熟的硅工藝制備出高質量的納米器件結構，由于在納米尺度下量子尺寸效應所產生的許多新奇的物理現象，使得這種結構成為許多納米電子器件的基本結構，因而引起世界范圍內的廣泛關注[1-4].如何制備出高質量的nc-Si量子點和納米結構是研究其電學性質和最終實現其器件應用的關鍵問題，而制備高質量的納米電子器件結構的重點是控制結構的界面態密度.較高的界面態密度嚴重影響納米電子器件的性能和正常運行.如界面態可以起產生、復合中心作用，還可以起到散射中心作用，使pn結反向漏電流增加、雙極性晶體管小電流時電流增益下降，使MOS晶體管跨導降低、頻率特性和閥電壓不穩定.界面態可以俘獲和釋放電荷，嚴重惡化納米存儲器件以及隧穿器件的性能.一般情況下界面態密度與器件制造工藝密切相關，通過適當的退火工藝降低界面態密度.因此，界面態密度的測量對于研究器件特性、監控工藝質量、提高器件性能尤為重要.

本文采用電容和電導特性測量法來研究硅基雙勢壘存儲結構界面態密度，不僅能夠測出禁帶中較大能量范圍內的界面態密度分布，還能測出表面勢[5].該方法靈敏度高、操作簡便、對樣品結構要求不高.近年來，在GeSi半導體量子點、超晶格能帶結構、High-K材料和單電子存儲器等方面都有廣泛的應用.

1 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx雙勢壘結構的制備

采用的方法是在大氫稀釋的氣氛中逐層（layer by layer）生長nc-Si量子點，在PECVD系統中一次性原位淀積整個a-SiNx/nc-Si/a-SiNx不對稱雙勢壘結構，從而減小了外界環境因素對結構的影響，能夠得到質量良好的納米結構.所用的襯底為p型硅，電阻率為6～8 Ωcm.在襯底放入PECVD系統生長腔之前，經過了標準的RCA清洗，并且用稀釋的氫氟酸溶液（濃度為30%HF:H2O=1:10）漂去硅襯底上的天然氧化層.實驗中使用的射頻源的頻率為13.56 MHz，襯底溫度為250℃.在淀積整個結構之前，為了減小界面態密度，首先對樣品進行等離子氮化處理，在硅襯底表面形成一層高質量的超薄氮化硅層，厚度大約為1 nm.之后再淀積一層厚度為2 nm的氮化硅層，作為隧穿層.然后利用大氫稀釋氣氛下的layer by layer技術淀積一層厚度為5 nm的nc-Si量子點層.最后淀積厚度大約為20 nm的氮化硅層.作為控制柵層，為了進行電學性質的測量，利用真空熱蒸發技術，在樣品表面上制備鋁電極，在襯底背面蒸鋁，最后經過合金化形成歐姆接觸.

2 電容和電壓測量法的基本原理

電容-電壓（C-V）特性是指在金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構上加偏壓，同時測量其小信號電容隨外加偏壓的變化特性.理想MIS結構不考慮金屬柵極和半導體之間的功函數差，不考慮絕緣層中的電荷.在理想MIS結構上加上偏壓VG，電壓的一部分V0作用在絕緣層上，一部分作用在半導體表面，形成表面勢VS.可以將MIS結構電容相當于絕緣層電容和半導體空間電荷層的串聯

上式中C為MIS結構的電容，C0為絕緣層電容，CS為半導體空間電荷層的電容.

在實際情況中，MIS的C-V特性還受到諸如絕緣層中的固定電荷、可動離子、金屬功函數和界面態等因素的影響.固定電荷的存在改變了半導體的表面電勢，會引起C-V特性曲線的變化.例如帶正電的固定電荷的存在加大了絕緣層中的電場，這就需要柵電極上有更多負電荷才能恢復原有的表面勢，也就是需要更大的負電壓來建立原來的表面電勢，因此C-V曲線將會整體向負電壓方向移動.金屬功函數對C-V的影響和固定電荷一樣.下面主要討論界面態對C-V特性曲線的影響和利用MIS結構電容特性來研究界面態的方法.在MIS結構中，界面態又稱為界面陷阱，可以俘獲正電荷也可以俘獲負電荷，能量上位于禁帶中的分立或連續的能級.當MIS結構偏壓變化時，表面能帶發生彎曲，表面電勢改變.但在平衡狀態下，半導體的體內與表面處的費米能級是恒定的，這就意味著表面處的界面陷阱能級和費米能級的相對位置發生變化.隨著這種變化，界面陷阱能級中電子的填充狀態也將改變.例如，費米能級位于界面陷阱能級之上時，受主界面陷阱將帶負電；費米能級位于界面陷阱之下時，界面陷阱將帶正電.界面陷阱帶電狀態的變化將使界面出現過剩電荷，這將引起C-V特性發生漂移.但它和固定電荷引起的C-V特性平移不同，固定電荷使C-V特性只發生平移，而界面陷阱除了使C-V特性移動之外，還引起其形狀發生變化，這是因為界面陷阱中的電荷量本身還隨表面電勢或偏壓變化造成的.界面陷阱可以等效為一個電容Cit，和半導體空間電荷層電容相并聯，這時結構總電容為

因為界面陷阱的充放電有一定的頻率響應，在很高的頻率下，界面的充放電速率跟不上信號的變化，則界面陷阱電容Cit=0.故高頻C-V特性不包括Cit的成份.

利用低頻和高頻C-V特性的差異可測量界面態陷阱的密度.這種方法就是最常用來確定界面態方法，稱為準靜態電容法.消去（3）和（4）中的CS，可以得到界面態電容的表達形式

因為界面態密度定義為單位面積、單位能量間隔內的界面態能級數，因此，當表面勢變化dVg時，界面態中電荷的變化量為

式中dQ為單位面積下的電荷量.則界面態密度[6]

其中，Dit為界面態密度，C0為絕緣層的單位面積電容，CLF為低頻（準靜態）下的C-V曲線中的電容值，CHF為高頻下C-V曲線的電容值.為了獲得界面態密度的分布情況，還必須知道表面勢和柵壓之間的關系，Berglund提出了一個簡單的計算方法[7]：

其中Δ為VG=VG1時的表面勢的值.

用電導的方法來測量界面態的方法最早是由Bell實驗室的Nicollian和Goetzberge[8]在1967年提出，被公認為是測量界面態靈敏度最高的方法.用這種方法可以獲得大小在109cm-2eV-1量級的界面態，而且還可以得到耗盡區和弱反型區的界面態密度的值，可以獲得載流子的俘獲截面和表面勢波動等信息，是獲取界面態信息最完備的方法.

電導測量法基于對MIS結構等效并聯單位電導Gm和單位面積電容Gm的測量.圖1給出了MIS結構的等效電路，如圖1(a)所示，MIS結構可以等效為如下部分組成的電路：絕緣層單位電容G0，半導體空間電荷層電容GS，界面態單位面積電容Git和其對應的電阻R,這個電阻對應于界面態對載流子俘獲和發射過程中所引起的交流損耗.圖1(b)為圖1(a)的等效電路，圖1(c)為實際測量時采用的并聯模式時的等效電路圖.這里只給出最終的結果.當界面態為單能級時，等效的平行電導Gp為

圖1 MIS結構的等效電路圖

當界面態為連續能級時,

其中ω為測試頻率，τ為與界面態相關的時間常數，Dit為界面態密度.對（9）式，當ωτ=1時Gp/ω有最大值，而對（10）式，當ωτ=1.98時，Gp/ω有最大值.通過實驗得到Gp/ω—f曲線的峰值來計算界面態密度Dit和時間常數τ.另外，實驗中得到的電容值和電壓值是圖1(c)中的Cm和Gm，它不能用來直接代入(9)和(10)中計算態密度，必須首先通過圖1(b)和圖1(c)之間的等效關系進行轉換，即：

為了得到a-SiNx/nc-Si/a-SiNx雙勢壘結構的界面態密度，室溫下利用Agilent 4284A precision LCR meter測量樣品變頻率C-V和電導-電壓特性曲線，測試中所用的交流信號的幅度為20 mV，偏壓掃描方向是從電荷積累區掃描到電荷反型區，掃描范圍從-2.5 V到+1.5 V.交流測試信號的頻率在1 MHz到1 kHz之間.圖2和圖3分別為a-SiNx/nc-Si/a-SiNx雙勢壘結構的變頻率電容-電壓和電導-電壓測試結果.

圖2 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si樣品的變頻C-V曲線

圖3 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si樣品的變頻G-V曲線

公式(7)估算了界面態密度在禁帶中的分布情況，如圖4所示.將圖2中高頻（1 MHz）和準靜態（1kHz）C-V曲線數據帶入式(7)，得到樣品界面態密度隨著偏壓的變化關系.為了得到界面態密度在禁帶中分布情況，還必須獲得偏壓和表面勢間的變化關系.利用式(8)，得到了偏壓和表面勢的變化關系，如圖4的插圖所示.從圖4中可以得出在禁帶中央附近界面態的密度為1×1010cm-2eV-1，說明樣品界面狀況良好.利用電導公式(10)估算了樣品結構的最大界面態密度，將圖3中的G-V數據代入，估算了樣品的最大界面態密度為3×1010cm-2eV-1.以上結果表明了樣品的界面態密度很小，比nc-Si量子點的密度小一個數量級，可以忽略界面態對電荷存儲的貢獻，所以電荷是主要儲存于nc-Si量子點的分立能級中.

圖4 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si樣品的界面態在禁帶中的分布

在測量界面態密度的眾多方法中，高頻C-V法雖然簡單，但為了得到界面態在禁帶中的分布，需要借助于圖解微分來分析數據，而且精度和靈敏度不高.溫度法的測試和計算都很簡單，但可測的能量范圍較窄，而且靈敏度較低.本文采用準靜態電容電導法測量簡單，不僅能夠測出禁帶中較大能量范圍內的界面態密度分布，同時測出表面勢，具有很高的測量精度，操作簡便，測試所需的樣品結構簡單.在GeSi半導體量子點、超晶格能帶結構、High-K材料和單電子存儲器等方面都有廣泛的應用.

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Interface Characteristic of SiNx/nc-Si/SiNx Structure Investigated by the Capacitance and Conductance Technique Measurement

WANG Xiang

（Department of Physics and Electronic Engineering,Hanshan Normal University,Chaozhou 521041 China）

The a-SiNx/nc-Si/a-SiNx sandwiched structures are fabricated in a plasma enhanced chemical vapour deposition(PECVD)system on n-type Si substrate.The interface characteristic of the a-SiNx/nc-Si/a-SiNx sandwiched structure was studied by the capacitance-voltage and conductance-voltage measurenent.The experimental results demonstrate that the interface of the sandwiched structure fabricated by PECVD technique has good quality.The interface density of the structure is calculated to be 3×1010cm-2eV-1by the capacitance and conductance method.

interface state;double barriers structure;capacitance-voltage method;conductance-voltage method

TN386；O472 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1007-6883(2011)03-0037-05

2010-12-06

廣東高校優秀青年創新人才培養計劃項目（LYM09101）．

王祥（1980-），男，江蘇淮安人，韓山師范學院物理與電子工程系副教授，博士.

責任編輯 朱本華