用电容和电导测量法研究SiNx/nc-Si/SiNx双势垒结构界面特性

王 祥

（韩山师范学院物理与电子工程系，广东潮州 521041）

用电容和电导测量法研究SiNx/nc-Si/SiNx双势垒结构界面特性

王 祥

（韩山师范学院物理与电子工程系，广东潮州 521041）

利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,淀积a-SiNx/nc-Si/a-SiNx不对称双势垒存储结构.通过电容和电导测试研究结构的界面态特性.实验结果表明，采用PECVD方法制备的不对称存储结构的界面特性良好，其界面态密度为3×1010cm-2eV-1.

界面态；不对称双势垒结构；电容测量法；电导测量法

近年来，半导体纳米结构引起了人们极大的兴趣，特别是基于纳米硅量子点的双势垒结构和多层膜结构.因为硅基结构可以和现代微电子技术高度兼容，可以利用现有成熟的硅工艺制备出高质量的纳米器件结构，由于在纳米尺度下量子尺寸效应所产生的许多新奇的物理现象，使得这种结构成为许多纳米电子器件的基本结构，因而引起世界范围内的广泛关注[1-4].如何制备出高质量的nc-Si量子点和纳米结构是研究其电学性质和最终实现其器件应用的关键问题，而制备高质量的纳米电子器件结构的重点是控制结构的界面态密度.较高的界面态密度严重影响纳米电子器件的性能和正常运行.如界面态可以起产生、复合中心作用，还可以起到散射中心作用，使pn结反向漏电流增加、双极性晶体管小电流时电流增益下降，使MOS晶体管跨导降低、频率特性和阀电压不稳定.界面态可以俘获和释放电荷，严重恶化纳米存储器件以及隧穿器件的性能.一般情况下界面态密度与器件制造工艺密切相关，通过适当的退火工艺降低界面态密度.因此，界面态密度的测量对于研究器件特性、监控工艺质量、提高器件性能尤为重要.

本文采用电容和电导特性测量法来研究硅基双势垒存储结构界面态密度，不仅能够测出禁带中较大能量范围内的界面态密度分布，还能测出表面势[5].该方法灵敏度高、操作简便、对样品结构要求不高.近年来，在GeSi半导体量子点、超晶格能带结构、High-K材料和单电子存储器等方面都有广泛的应用.

1 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx双势垒结构的制备

采用的方法是在大氢稀释的气氛中逐层（layer by layer）生长nc-Si量子点，在PECVD系统中一次性原位淀积整个a-SiNx/nc-Si/a-SiNx不对称双势垒结构，从而减小了外界环境因素对结构的影响，能够得到质量良好的纳米结构.所用的衬底为p型硅，电阻率为6～8 Ωcm.在衬底放入PECVD系统生长腔之前，经过了标准的RCA清洗，并且用稀释的氢氟酸溶液（浓度为30%HF:H2O=1:10）漂去硅衬底上的天然氧化层.实验中使用的射频源的频率为13.56 MHz，衬底温度为250℃.在淀积整个结构之前，为了减小界面态密度，首先对样品进行等离子氮化处理，在硅衬底表面形成一层高质量的超薄氮化硅层，厚度大约为1 nm.之后再淀积一层厚度为2 nm的氮化硅层，作为隧穿层.然后利用大氢稀释气氛下的layer by layer技术淀积一层厚度为5 nm的nc-Si量子点层.最后淀积厚度大约为20 nm的氮化硅层.作为控制栅层，为了进行电学性质的测量，利用真空热蒸发技术，在样品表面上制备铝电极，在衬底背面蒸铝，最后经过合金化形成欧姆接触.

2 电容和电压测量法的基本原理

电容-电压（C-V）特性是指在金属-绝缘体-半导体（MIS）结构上加偏压，同时测量其小信号电容随外加偏压的变化特性.理想MIS结构不考虑金属栅极和半导体之间的功函数差，不考虑绝缘层中的电荷.在理想MIS结构上加上偏压VG，电压的一部分V0作用在绝缘层上，一部分作用在半导体表面，形成表面势VS.可以将MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层的串联

上式中C为MIS结构的电容，C0为绝缘层电容，CS为半导体空间电荷层的电容.

在实际情况中，MIS的C-V特性还受到诸如绝缘层中的固定电荷、可动离子、金属功函数和界面态等因素的影响.固定电荷的存在改变了半导体的表面电势，会引起C-V特性曲线的变化.例如带正电的固定电荷的存在加大了绝缘层中的电场，这就需要栅电极上有更多负电荷才能恢复原有的表面势，也就是需要更大的负电压来建立原来的表面电势，因此C-V曲线将会整体向负电压方向移动.金属功函数对C-V的影响和固定电荷一样.下面主要讨论界面态对C-V特性曲线的影响和利用MIS结构电容特性来研究界面态的方法.在MIS结构中，界面态又称为界面陷阱，可以俘获正电荷也可以俘获负电荷，能量上位于禁带中的分立或连续的能级.当MIS结构偏压变化时，表面能带发生弯曲，表面电势改变.但在平衡状态下，半导体的体内与表面处的费米能级是恒定的，这就意味着表面处的界面陷阱能级和费米能级的相对位置发生变化.随着这种变化，界面陷阱能级中电子的填充状态也将改变.例如，费米能级位于界面陷阱能级之上时，受主界面陷阱将带负电；费米能级位于界面陷阱之下时，界面陷阱将带正电.界面陷阱带电状态的变化将使界面出现过剩电荷，这将引起C-V特性发生漂移.但它和固定电荷引起的C-V特性平移不同，固定电荷使C-V特性只发生平移，而界面陷阱除了使C-V特性移动之外，还引起其形状发生变化，这是因为界面陷阱中的电荷量本身还随表面电势或偏压变化造成的.界面陷阱可以等效为一个电容Cit，和半导体空间电荷层电容相并联，这时结构总电容为

因为界面陷阱的充放电有一定的频率响应，在很高的频率下，界面的充放电速率跟不上信号的变化，则界面陷阱电容Cit=0.故高频C-V特性不包括Cit的成份.

利用低频和高频C-V特性的差异可测量界面态陷阱的密度.这种方法就是最常用来确定界面态方法，称为准静态电容法.消去（3）和（4）中的CS，可以得到界面态电容的表达形式

因为界面态密度定义为单位面积、单位能量间隔内的界面态能级数，因此，当表面势变化dVg时，界面态中电荷的变化量为

式中dQ为单位面积下的电荷量.则界面态密度[6]

其中，Dit为界面态密度，C0为绝缘层的单位面积电容，CLF为低频（准静态）下的C-V曲线中的电容值，CHF为高频下C-V曲线的电容值.为了获得界面态密度的分布情况，还必须知道表面势和栅压之间的关系，Berglund提出了一个简单的计算方法[7]：

其中Δ为VG=VG1时的表面势的值.

用电导的方法来测量界面态的方法最早是由Bell实验室的Nicollian和Goetzberge[8]在1967年提出，被公认为是测量界面态灵敏度最高的方法.用这种方法可以获得大小在109cm-2eV-1量级的界面态，而且还可以得到耗尽区和弱反型区的界面态密度的值，可以获得载流子的俘获截面和表面势波动等信息，是获取界面态信息最完备的方法.

电导测量法基于对MIS结构等效并联单位电导Gm和单位面积电容Gm的测量.图1给出了MIS结构的等效电路，如图1(a)所示，MIS结构可以等效为如下部分组成的电路：绝缘层单位电容G0，半导体空间电荷层电容GS，界面态单位面积电容Git和其对应的电阻R,这个电阻对应于界面态对载流子俘获和发射过程中所引起的交流损耗.图1(b)为图1(a)的等效电路，图1(c)为实际测量时采用的并联模式时的等效电路图.这里只给出最终的结果.当界面态为单能级时，等效的平行电导Gp为

图1 MIS结构的等效电路图

当界面态为连续能级时,

其中ω为测试频率，τ为与界面态相关的时间常数，Dit为界面态密度.对（9）式，当ωτ=1时Gp/ω有最大值，而对（10）式，当ωτ=1.98时，Gp/ω有最大值.通过实验得到Gp/ω—f曲线的峰值来计算界面态密度Dit和时间常数τ.另外，实验中得到的电容值和电压值是图1(c)中的Cm和Gm，它不能用来直接代入(9)和(10)中计算态密度，必须首先通过图1(b)和图1(c)之间的等效关系进行转换，即：

为了得到a-SiNx/nc-Si/a-SiNx双势垒结构的界面态密度，室温下利用Agilent 4284A precision LCR meter测量样品变频率C-V和电导-电压特性曲线，测试中所用的交流信号的幅度为20 mV，偏压扫描方向是从电荷积累区扫描到电荷反型区，扫描范围从-2.5 V到+1.5 V.交流测试信号的频率在1 MHz到1 kHz之间.图2和图3分别为a-SiNx/nc-Si/a-SiNx双势垒结构的变频率电容-电压和电导-电压测试结果.

图2 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si样品的变频C-V曲线

图3 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si样品的变频G-V曲线

公式(7)估算了界面态密度在禁带中的分布情况，如图4所示.将图2中高频（1 MHz）和准静态（1kHz）C-V曲线数据带入式(7)，得到样品界面态密度随着偏压的变化关系.为了得到界面态密度在禁带中分布情况，还必须获得偏压和表面势间的变化关系.利用式(8)，得到了偏压和表面势的变化关系，如图4的插图所示.从图4中可以得出在禁带中央附近界面态的密度为1×1010cm-2eV-1，说明样品界面状况良好.利用电导公式(10)估算了样品结构的最大界面态密度，将图3中的G-V数据代入，估算了样品的最大界面态密度为3×1010cm-2eV-1.以上结果表明了样品的界面态密度很小，比nc-Si量子点的密度小一个数量级，可以忽略界面态对电荷存储的贡献，所以电荷是主要储存于nc-Si量子点的分立能级中.

图4 a-SiNx/nc-Si/a-SiNx/c-Si样品的界面态在禁带中的分布

在测量界面态密度的众多方法中，高频C-V法虽然简单，但为了得到界面态在禁带中的分布，需要借助于图解微分来分析数据，而且精度和灵敏度不高.温度法的测试和计算都很简单，但可测的能量范围较窄，而且灵敏度较低.本文采用准静态电容电导法测量简单，不仅能够测出禁带中较大能量范围内的界面态密度分布，同时测出表面势，具有很高的测量精度，操作简便，测试所需的样品结构简单.在GeSi半导体量子点、超晶格能带结构、High-K材料和单电子存储器等方面都有广泛的应用.

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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">文献标识码：A

A

1007-6883(2011)03-0037-05

2010-12-06

广东高校优秀青年创新人才培养计划项目（LYM09101）．

王祥（1980-），男，江苏淮安人，韩山师范学院物理与电子工程系副教授，博士.

责任编辑 朱本华