Característica capacidade-tensão

Numa estrutura MIS ideal, sem qualquer tensão aplicada, a diferença entre a função de trabalho do metal e do semicondutor é zero, ou seja, o diagrama bandas de energia é plano (condição de bandas planas – VFB - flat band voltage). Além disso, as únicas cargas que

existem na estrutura, sob qualquer estado de polarização, são as que se encontram no semicondutor e as que, em igual quantidade mas de sinal oposto, existem no metal depositado sobre o isolante. Por fim, não existe transporte de cargas através do isolante sob polarização, ou seja, este tem resistividade infinita.

a)

b)

Figura 3.18 – a) Representação de uma estrutura MIS, b) diagrama de bandas de energia para uma estrutura MIS ideal.

Para um semicondutor tipo p, quando a estrutura MIS é polarizada directamente (tensão negativa na porta), as bandas de energia junto do semicondutor flectem para cima, originando um aumento na diferença entre o nível de Fermi (EF) e o nível intrínseco (Ei). Isto

faz com que ocorra a acumulação de buracos junto à interface isolante-semicondutor – regime de acumulação. Para uma pequena tensão positiva, as bandas de energia flectem para baixo, a diferença entre o nível de Fermi e o nível intrínseco diminui e os portadores maioritários

Técnicas complementares de produção e caracterização

(buracos) são deflectidos da região da interface – regime de depleção. À medida que a tensão positiva aumenta, o nível de Fermi supera o nível intrínseco e a concentração de electrões supera a de buracos junto à interface – regime de inversão.

Tabela 3.I – Regimes de polarização numa estrutura MIS.

Polarização Regime

V<0 Acumulação V=0 Condição de bandas planas

qψB>V>0 Deplecção

V=qψB Nível intrínseco

V> qψB Inversão

No regime de acumulação, não existe camada de depleção no semicondutor, ou seja, a capacidade total da estrutura é aproximadamente igual à capacidade do isolante. Assim sendo, neste regime é possível determinar a sua constante dieléctrica. No outro extremo, quando em inversão, a região de depleção vai aumentando com a tensão positiva de porta até atingir um máximo. Como a capacidade total da estrutura é uma combinação em série da capacidade do isolante e da região de depleção no semicondutor, esta atinge o seu valor mínimo. Porém, isto acontece se a região de depleção se formar apenas junto à interface com o isolante, o que é válido para frequências de excitação elevadas, tipicamente acima do 1 kHz. Para frequências menores, a taxa de geração-recombinação na superfície de depleção torna-se mais rápida que a variação da tensão e os electrões (portadores minoritários) podem seguir o sinal da porta, dando origem a uma troca de carga na zona de inversão. Como resultado, a capacidade no regime de inversão será novamente dada apenas pela capacidade do isolante ( Figura 3.19 a).

Uma estrutura MIS real apresenta desvios na curva C-V originados, essencialmente, por dois factores. Desde logo, para os metais normalmente utilizados como eléctrodo de porta, a diferença na função de trabalho para o silício não é nula (φms = φm - φs ≠ 0). Além disso, existem diferentes tipos de cargas no isolante e na interface com o silício, que estão relacionadas com os defeitos presentes, que irão influenciar a curva C-V de modo diferente. O desvio mais significativo é a alteração da tensão de bandas planas (VFB), que idealmente é

zero, mas que numa estrutura MIS real é dada por:

i m t f ms FB C Q Q Q V =φ − + + (3.12)

onde Qf são as cargas fixas no isolante, Qt as cargas armadilhadas e Qm as cargas móveis.

característica C-V é representado pela curva 2 na Figura 3.19 b). Existem ainda as cargas armadilhadas na interface silício-isolante (Qit), que quando em número significativo, além de

influenciar o valor de VFB, irão contribuir também para que a zona de depleção seja alargada,

distorcendo a característica C-V (curva 3 da Figura 3.19 b). O exemplo apresentado é para o silício tipo p, sendo que para o silício tipo n a curva apresentaria um aspecto simétrico.

a) b)

Figura 3.19 – a) Característica C-V para uma estrutura MIS ideal, b) esquematização dos possíveis desvios à característica C-V numa estrutura MIS real – a curva 1 representa a característica ideal, a

curva 2 o efeito de Qf, Qt e Qm e a curva 3 o efeito de Qit.

As cargas armadilhadas na interface (Qit), normalmente definidas como a densidade de

estados por unidade de área na interface (Dit), são tidas como a maior limitação na aplicação a

transístores de efeito de campo, uma vez que reduzem a mobilidade dos portadores. Este tipo de cargas é originado por defeitos estruturais na interface, que originam estados energéticos no hiato do semicondutor. As cargas fixas (Qf) estão localizadas na região próxima da

interface (menos de 5 nanómetros), podendo ser carregadas ou descarregadas. A sua polaridade depende das condições em que o isolante foi crescido ou recozido, sendo geralmente são positivas, contribuindo para um deslocamento da curva no sentido de tensões negativas. Átomos ionizados ou ligações incompletas na região próxima da interface contribuem para o aparecimento deste tipo de cargas [39]. As cargas armadilhadas (Qt), estão

associadas a defeitos originados, por exemplo, por radiação de elevada energia como raios X ou bombardeamento por electrões. Estão distribuídas dentro do dieléctrico e podem ser minimizadas através de tratamento térmico. Por fim, as cargas móveis (Qm), são iões alcalinos

Técnicas complementares de produção e caracterização

A constante dieléctrica e o tipo de defeitos existentes nos dieléctricos depositados foram determinados através da análise da característica C-V em estruturas MIS. Foi utilizado como substrato silício cristalino tipo p, orientação <100>, com uma concentração de dopante na ordem de 1,5×1016 cm-3. A superfície do silício foi previamente limpa em acetona e álcool isopropílico, sendo o óxido nativo posteriormente removido numa solução de HF 1:10. Por fim, o substrato foi passado por água ultra-pura e seca com jacto de azoto.

A deposição do dieléctrico foi efectuada por pulverização catódica. Foram evaporados contactos circulares de alumínio com 1 milímetro de diâmetro através de uma máscara mecânica, tendo sido também evaporado alumínio na face posterior do silício. A caracterização C-V foi efectuada num analisador de impedâncias Agilent 4294A, com uma excitação de 100mV a uma frequência de 1MHz.

Figura 3.20 - Analisador de impedâncias Agilent 4294A existente no CENIMAT.