УДК 621.315.592.01
ЗАЙЦЕВ Н.А., КРАСНИКОВ Г.Я.,
МАТЮШКИН И.В.
ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И СТРУКТУРНО-
ПРИМЕСНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ В
СИСТЕМЕ Si-SiO2
АООТ НИИМЭ и МИКРОН, 103460, Россия, г.Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д.12,
стр.1, тел.: (095) 5351509, fax: (095) 5356264, e-mail: zaitsev@mikron.ru
Функционирование интегральных микросхем во многом определяется
свойствами подзатворного диэлектрика. Его толщина в современных приборах
составляет порядка 5-10нм, что сравнимо с толщиной переходного слоя в системе
Si-SiO2. Гетерогенная структура этого слоя, характеризующаяся присутствием
нескольких типов структурно-примесных комплексов (СПК), непосредственно
связана с электронно-ионными процессами, протекающими в приборе.
Стехиометрически СПК может быть описан формулой SixOyMez, где в качестве Me
могут быть, например, примеси Na,Cu,H. Цель нашей работы состоит в том, чтобы
оценить влияние этих СПК на электрофизические свойства системы Si-SiO2.
В кристаллическом полупроводнике электроны, принадлежащие разным
атомам, неразличимы, что позволяет вводить обобщенные характеристики. В этом
случае важно знать, что представляют собой уровни зоны валентности E2 (энергия
потолка зоны) и проводимости E1 (энергия дна зоны). Кроме того, интересно
оценить величину размытия уровней при взаимодействии СПК разных типов. Далее,
важно знать процент обобществленных электронов (делокализованных и,
следовательно, свободных) от общего числа электронов. Тем самым определяется
населенность зон проводимости и валентности. Это, правда, требует знания
значения энергии Ферми (мы предполагаем, что электроны в зоне проводимости и в
зоне валентности подчиняются статистике Ферми-Дирака). Сделаем попытку с
помощью зонной диаграммы описать на качественном уровне влияние СПК на
свойства системы Si-SiO2. Подчеркнем, что далее речь идет о примесных атомах,
входящих в состав СПК.

Вообще говоря, как и всякая молекула, СПК может быть рассмотрен с
помощью метода молекулярных орбиталей (МО). Основу любого СПК в системе Si-
SiO2 составляют кремний и кислород, атомы которых имеют следующие
электронные конфигурации: Si (1s22s22p63s23p2) и O (1s22s22p4). Присутствующие
часто натрий, медь и водород имеют такие конфигурации: Na (1s22s22p63s1), Cu
(1s22s22p63s23p63d104s1), H (1s1). Обращаем внимание, что электронная конфигурация
натрия занимает промежуточное положение между конфигурациями кремния и
кислорода. Если отвлечься от некоторых особенностей, молекулярные орбитали
(МО) внешних электронных оболочек СПК сгруппированы вокруг 2p и 3s-уровней.
Поэтому в первом приближении разумно предположить E1=E3s и E2=E2p, тогда
ширина запрещенной зоны Е равна разнице энергий 3s и 2p-электрона, что
примерно равно энергии первой ионизации атома натрия, т.е около 5эВ. Полезно
напомнить, что ширина запрещенной зоны в диоксиде составляет примерно 9эВ, а в
кремнии- 1.2эВ. При этом, если отсчитывать от уровня вакуума, то уровень Ферми
для диоксида кремния лежит на 4.2эВ ниже, в для кремния- на 4.09эВ ниже [1].
Следовательно, по формальному признаку переходный слой можно отнести к
диэлектрикам. Рассмотрим на качественном уровне СПК в целом.
Атомы примеси Me, входящие в состав СПК, приведут к появлению новых
МО. Для элементов 1-го и 2-го периодов связывающая МО (МОсв), очевидно,
окажется в валентной зоне, разрыхляющая же МО (МОрх) все-таки будет, несмотря
на превышение 2p-уровня, находиться также в зоне валентности. Для элементов 4-
го и выше периодов МОрх , очевидно, будет в зоне проводимости, а МОсв- все-таки у
дна зоны проводимости. Для натрия, по-видимому, следует рассматривать МОсв,
возникающую при взаимодействии 3s или даже 3p-орбитали Si и 3s-орбитали Na
(МОрх будет лежать в зоне проводимости). Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов
взаимодействие 2p-орбитали Na и 2p-орбитали O, при котором образующаяся МОрх
будет лежать чуть выше зоны валентности. В обоих случаях эти МО лежат в нижней
части запрещенной зоны, причем вторая МО расположена близко к верхней границе
зоны валентности (см. рис.1). Таким образом, это позволяет предположить, что
натрий в составе СПК вносит вклад в образование фиксированного заряда
(задействована первая МО!), а также связан с "переменным" зарядом, возникающим

за счет пространственного перемещения дырок в валентной зоне (задействована
вторая МО!). В первом случае СПК играет роль ловушки, а во втором случае его
роль сходна с ролью примеси р-типа в полупроводнике. Поэтому, рассуждая по
аналогии, все СПК можно разделить на СПК p-типа и n-типа. В вырожденном
случае SixOy, если x>y/2, избыток кремния приводит к появлению МО в верхней
части запрещенной зоны, донорных для электронов уровней, т.е. это СПК n-типа.
Подобные СПК недоокисленного кремния или кремния с разорванной связью (·Si)
часто встречаются на самой границе переходного слоя и кристаллического кремния.
Их лишние электроны легко делокализуются и распределяются по объему и
переходного слоя, и диоксида кремния., создавая положительный переменный
заряд на ближней к кристаллу стороне переходного слоя. Примесь меди, по-
видимому, приводит к появлению одного или нескольких уровней в верхней части
запрещенной зоны (взаимодействуют 3d-орбитали меди и 3p-орбиталь кремния,
давая МОсв. Таким образом, СПК SixOyCuz тяготеют к n-типу. Рассмотрение СПК
вида SixOyHz требует более строгого подхода, поскольку здесь эффект скорее
косвенный, состоящий в смещении МО или перераспределении электронов между
МО данного типа. Априори это СПК p-типа.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что переходный слой в системе Si-
SiO2 формально представляет собой диэлектрик с вкраплениями СПК p и n-типа, что
ведет к пространственной неоднородности электрофизических свойств. Иными
словами, взаиморасположение и ориентация разных СПК приводят к наличию
преимущественных путей-каналов перемещения заряда. Кроме того, весьма
вероятно упорядочение областей (прежде всего по горизонтальным направлениям)
переходного слоя типа (СПКn)*(СПКp)m, где, например, один СПК n-типа окружен m
СПК p-типа. Вдоль любой прямой Ox в этой плоскости профиль дна зоны
проводимости (потолка зоны валентности) имеет неровный характер, причем каждая
точка на границе зоны предполагает усреднение по перпендикулярной оси Oy. Это
обусловлено некоторым отличием в структуре и/или стехиометрии переходного
слоя по Si и О. По-видимому, бугристость границы энергетической зоны невелика,
но может достигнуть в ряде случаев несколько kT. Если предположить, что в
достаточно малом сечении при фиксированной абсциссе находится только один

невырожденный СПК, то наличие примеси в его составе приводит к появлению
дополнительных уровней. Эти уровни могут быть глубокими или мелкими, т.е.
лежать вблизи середины запрещенной зоны или около криволинейной границы зоны
проводимости или валентности. За счет такого характера зонной диаграммы
возможна пространственная электрическая связь удаленных СПК: электрон, попав в
зону проводимости с мелкого ловушечного уровня (или с глубокого путем
туннелирования), перемещается по зоне проводимости, пока не свалится на
глубокий уровень или временно не остановится на каком-либо мелком уровне (или
яме).
1.
Зайцев
Н.А.,
Шурчков
И.О.
Структурно-
примесные
и
электрофизические свойства системы Si-SiO2. М.: "Радио и связь", 1993, 192с.