Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов

Исследован дрейф вольт-амперных характеристик и порогового напряжения p- канальных ионоселективных полевых транзисторов с индуцированным каналом при долговременных воздействиях открывающего рабочего напряжения, приложенного к области канала через двухслойный подзатворный диэлектрик SiO₂/Si₃N₄. Прив...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Павлюченко, А.С., Кукла, А.Л., Голтвянский, Ю.В., Архипова, В.М., Дзядевич, С.В., Солдаткин, А.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2010
Schriftenreihe:	Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115599
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов / А.С. Павлюченко, А.Л. Кукла, Ю.В. Голтвянский, В.М. Архипова, С.В. Дзядевич, А.П. Солдаткин // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 45. — С. 90-99. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-115599
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1155992017-04-08T03:03:05Z Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов Павлюченко, А.С. Кукла, А.Л. Голтвянский, Ю.В. Архипова, В.М. Дзядевич, С.В. Солдаткин, А.П. Исследован дрейф вольт-амперных характеристик и порогового напряжения p- канальных ионоселективных полевых транзисторов с индуцированным каналом при долговременных воздействиях открывающего рабочего напряжения, приложенного к области канала через двухслойный подзатворный диэлектрик SiO₂/Si₃N₄. Приведены данные экспериментов, на основании которых выдвинуто предположение о механизме наблюдаемой нестабильности. Показано, что отжиг в водороде на завершающей стадии процесса изготовления датчиков улучшает стабильность их характеристик. The drift of transfer characteristics and threshold voltage of the p-channel ionselective field-effect transistors with induced channel, caused by long-term continuos influence of negative voltage applied to the channel area through the two-layer SiO₂/Si₃N₄ gate dielectric has beck investigated. Based on the experimental data a mechanism of the observed instability is proposed. It is shown that annealing in hydrogen at the final stage of sensors manufacturing improves the stability of their characteristics. 2010 Article Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов / А.С. Павлюченко, А.Л. Кукла, Ю.В. Голтвянский, В.М. Архипова, С.В. Дзядевич, А.П. Солдаткин // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 45. — С. 90-99. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0233-7577 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115599 621.315.592 ru Оптоэлектроника и полупроводниковая техника Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследован дрейф вольт-амперных характеристик и порогового напряжения p- канальных ионоселективных полевых транзисторов с индуцированным каналом при долговременных воздействиях открывающего рабочего напряжения, приложенного к области канала через двухслойный подзатворный диэлектрик SiO₂/Si₃N₄. Приведены данные экспериментов, на основании которых выдвинуто предположение о механизме наблюдаемой нестабильности. Показано, что отжиг в водороде на завершающей стадии процесса изготовления датчиков улучшает стабильность их характеристик.
format	Article
author	Павлюченко, А.С. Кукла, А.Л. Голтвянский, Ю.В. Архипова, В.М. Дзядевич, С.В. Солдаткин, А.П.
spellingShingle	Павлюченко, А.С. Кукла, А.Л. Голтвянский, Ю.В. Архипова, В.М. Дзядевич, С.В. Солдаткин, А.П. Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
author_facet	Павлюченко, А.С. Кукла, А.Л. Голтвянский, Ю.В. Архипова, В.М. Дзядевич, С.В. Солдаткин, А.П.
author_sort	Павлюченко, А.С.
title	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов
title_short	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов
title_full	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов
title_fullStr	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов
title_full_unstemmed	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов
title_sort	исследование стабильности характеристик рн-чувствительных полевых транзисторов
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115599
citation_txt	Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов / А.С. Павлюченко, А.Л. Кукла, Ю.В. Голтвянский, В.М. Архипова, С.В. Дзядевич, А.П. Солдаткин // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2010. — Вип. 45. — С. 90-99. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Оптоэлектроника и полупроводниковая техника
work_keys_str_mv	AT pavlûčenkoas issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov AT kuklaal issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov AT goltvânskijûv issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov AT arhipovavm issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov AT dzâdevičsv issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov AT soldatkinap issledovaniestabilʹnostiharakteristikrnčuvstvitelʹnyhpolevyhtranzistorov
first_indexed	2025-07-08T09:04:26Z
last_indexed	2025-07-08T09:04:26Z
_version_	1837068942407892992
fulltext	90 ISSN 0233-7577. Oптоэлектроника и полупроводниковая тех- ника, 2010, вып. 45 УДК 621.315.592 А.С. Павлюченко, А.Л. Кукла, Ю.В. Голтвянский, В.М. Архипова, С.В. Дзядевич, А.П. Солдаткин ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК pН-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Исследован дрейф вольт-амперных характеристик и порогового напряжения p- канальных ионоселективных полевых транзисторов с индуцированным каналом при долговремен- ных воздействиях открывающего рабочего напряжения, приложенного к области канала через двух- слойный подзатворный диэлектрик SiO2/Si3N4. Приведены данные экспериментов, на основании которых выдвинуто предположение о механизме наблюдаемой нестабильности. Показано, что отжиг в водороде на завершающей стадии процесса изготовления датчиков улучшает стабиль- ность их характеристик. Ключевые слова: ионоселективный полевой транзистор (ИСПТ), нитрид кремния, порого- вое напряжение, дрейф. Со времени открытия П. Бергвельдом ионной чувствительности структуры электролит—диэлектрик—кремний [1] разработан и исследован новый класс сенсоров — ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ). Их преимуще- ствами являются малые размеры, высокое быстродействие и возможность массо- вого изготовления с помощью микроэлектронной кремниевой технологии. В настоящее время ионоселективные полевые транзисторы являются альтернативой стеклянным pH-чувствительным электродам как для обычной pH-метрии, так и для ряда специальных применений, включающих анализ активности ионов раз- личных типов с применением ионофоров [1]. Широко известно также использова- ние ИСПТ как биосенсоров, основанных на биохимических методах анализа с применением реакций, происходящих либо с выделением, либо с поглощением протонов [2—4]. В первых разработанных образцах ИСПТ в качестве ионоселективного мате- риала использовался оксид кремния (SiO2) [5]. Вскоре после этого было обнаруже- но, что применение в этом качестве нитрида кремния (Si3N4) обеспечивает более высокую рН-чувствительность [6], однако теоретическое обоснование этому факту было дано позже: с появлением модели связывающих центров [7, 8] и с введением понятия собственной буферной емкости диэлектрика [9]. Поверхность нитрида кремния обладает лучшей способностью к связыванию протонов, вследствие чего обеспечивается более высокая чувствительность и линейность в широком диапа- зоне величин pH [10]. Кроме того, нитрид кремния является химически стойким соединением и менее подвержен влиянию ионных воздействий при контакте с рас- творами [11]. Роль затвора в ионоселективном полевом транзисторе выполняет анализируе- мый раствор, непосредственно соприкасающийся с подзатворным диэлектриком. Для описания процессов на границе раздела электролит—диэлектрик, приводящих к изменению управляющего напряжения в цепи затвора транзистора при измене- нии активности протонов в растворе, обычно используется модель двойного заря- женного слоя в электролите, состоящего из слоя Гельмгольца и диффузионного слоя Гюи—Чапмена [13]. Эта модель, однако, не учитывает явлений пе- © А.С. Павлюченко, А.Л. Кукла, Ю.В. Голтвянский, В.М. Архипова, С.В. Дзядевич, А.П. Солдаткин, 2010 реноса заряда, которые могут происходить на границе раздела жидкой и твердой фаз. Например, может иметь место диффузия протонов из раствора в объем ди- 91 электрика. Такой перенос заряда вызывает дополнительный протонный отклик [14], который можно рассматривать как долговременную нестабильность структу- ры. Дополнительный ионный обмен с раствором происходит также с участием «скрытых» центров связывания, расположенных в приповерхностном гидратиро- ванном слое нитрида кремния [15]. Нестабильность рассматриваемой структуры может быть также вызвана наличием подвижного заряда в диэлектрическом слое [16, 17], который под воздействием приложенного электрического поля может смещаться в объеме диэлектрика. Механизмы протекания всех упомянутых выше процессов зависят от электростатических параметров системы электролит— диэлектрик и обусловливают появление долговременного дрейфа в регистрируе- мых откликах датчиков. Возникающие при этом вопросы практического характера заключаются в вы- яснении, во-первых, количественных параметров динамики процессов нестабиль- ности для определения степени их влияния на информативную составляющую от- кликов ИСПТ-датчиков, во-вторых, необходимости перекалибровки датчиков при долговременной их работе, а в-третьих, наличия необратимых изменений в струк- туре датчиков, вызванных этими процессами и степени их влияния на метрологи- ческие характеристики датчиков. Таким образом, цель данной статьи — исследовать факторы, определяющие стабильность системы кремний—оксид кремния—нитрид кремния—электролит при воздействии слабых электрических полей, характерных для рабочих режимов ИСПТ. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ Особенности конструкции кристалла ИСПТ — отсутствие метал- лического затвора над каналом и достаточная удаленность от него контактных площадок, необходимая для удобного подвода анализируемых веществ к подза- творному диэлектрику. В нашей работе реализованы два варианта конструкции ИСПТ с каналами n- и p-типа. Вариант ИСПТ канала р-типа позволяет использовать простую и дешевую технологию изготовления прибора. В качестве подложки использовались кремние- вые пластины n-типа <100> c концентрацией примеси 10 15 cм –3 . На поверхности термическим окислением в потоке влажного кислорода при температуре 1100 С получали слой SiО2 толщиной 0,65 мкм, который служил маской во время терми- ческой диффузии бора в области истока и стока. В процессе двухстадийной диф- фузии толщина SiO2 увеличивалась до 0,8 мкм, обеспечивая тем самым порог ин- версии под окислом не менее 20 В. р-n-Переход истоковых и стоковых областей глубиной 4 мкм обеспечивает величину пробивного напряжения не менее 40 В. Двухслойный подзатворный диэлектрик состоял из слоев оксида и нитрида крем- ния толщиной 50 нм каждый. Оксид формировался окислением в сухом кислороде при температуре 1000 С, Si3N4 получался осаждением в реакторе пониженного давления при 780 С в ходе реакции дихлорсилана с аммиаком. Для сравнения электрических характеристик на кристалле одновременно с ИСПТ формировался транзистор МНОП с алюминиевым затвором. Транзисторы ИСПТ и тестовый МНОП различаются отношением ширины к длине канала W/L: для МНОП оно равно 1, для ИСПТ — 100. Поперечный разрез р-канальной структуры показан на рис. 1,а. 92 Рис. 1. Поперечный разрез кремниевой структуры, на котором сформированы ИСПТ и МНОП транзисторы (а), а также схема подключения ИСПТ для проведения измерений (б): 1 — электрод сравнения; 2 — электролитическая ячейка; 3 — раствор Второй вариант конструкции ИСПТ базируется на n-канальном транзисторе. Он сложнее технологически, так как требует локального окисления пассивных об- ластей кристалла, изготовленного на кремниевых пластинах р-типа с дополни- тельным подлегированием бором в пассивных областях кристалла для предотвра- щения инверсии заряда на границе Si—SiO2. Стабильность структуры оценивалась по изменению зависимости тока стока от напряжения затвор—исток Iс = f(Uз—и) в линейной области переходной характе- ристики при постоянном напряжении стока Uс—и = = –2 В. Напряжение к диэлектрику над каналом ИСПТ прикладывалось посред- ством индиевого зонда или через хлорсеребряный электрод сравнения (ЭС) в спе- циально сконструированной фторопластовой электролитической ячейке (рис. 1, б). Как электролит использовали фосфатный буферный раствор рН = 7,0. За порого- вое принималось напряжение на затворе, при котором ток в канале начинал пре- вышать 2 мкА. Переходные вольт-амперные характеристики для транзисторов ИСПТ и МНОП подобны и в линейной области представляются зависимостью [2]:  2)( 2 и—си—си—зс UUUU L W CI Td  , (1) 93 где Сd — удельная емкость диэлектрика; W и L — ширина и длина канала соответ- ственно; µ — подвижность носителей заряда в канале. В обоих случаях ток стока Iс линейно зависит лишь от управляющего напряжения на затворе Uз—и, если пара- метр  = µCdW/L, приложенное к транзистору напряжение Uс—и и пороговое напряжение UТ постоянны. Изменение заряда вблизи границы раздела раствора с диэлектриком вызывает изменение порогового напряжения, а значит, изменение тока в канале. Выражения для величин порогового напряжения транзисторов МНОП и ИСПТ имеют некото- рые различия. В случае транзистора МНОП пороговое напряжение выражается следующим образом [2]: ,2 ФФ SiM МНОП F d bssd Т C QQQ q U      (2) где ФМ и ФSi — работа выхода электрона из металла и кремния; Qd, Qss, Qb — заря- ды соответственно диэлектрика, поверхностных состояний на границе Si—SiO2 и полупроводника; F — напряжение Ферми. В случае ИСПТ затворное напряжение прикладывается к транзисторной структуре через электролит с помощью электрода сравнения, поэтому выражение для порогового напряжения приобретает вид [3]:    F d bssd solrefТ C QQQ q EU 2 Ф Si ИСПТ ,M МНОП q EU solrefТ   (3) где Еref — постоянный потенциал ЭС;  + sol — интерфейсный потенциал на гра- нице раствор—диэлектрик: потенциал , зависит от уровня рН в растворе и обу- словлен зарядом, аккумулированном на поверхностных центрах затворного ди- электрика, sol — дипольный потенциал раствора, имеющий постоянное значение. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Проверка зарядовой стабильности двухслойного диэлектрика на кристаллах осуществлялась на транзисторе МНОП, который после измерения ис- ходной переходной характеристики последовательно выдерживался по 4 ч при напряжениях –8 В и +8 В на затворе относительно заземленных выводов истока, стока и подложки. После каждого испытания снималась характеристика Iс = f(Uз— и). Выяснено, что длительное воздействие положительного потенциала практиче- ски не влияет на вид характеристики, т.е. пороговое напряжение транзистора не изменяется. Воздействие же отрицательного потенциала на некоторых образцах вызывало лишь незначительное возрастание тока в канале, соответствующее сдви- гу порогового напряжения на единицы милливольт. Исходя из этого можно заклю- чить, что объемный заряд в диэлектрике или полупроводнике (т.е. величины Qd и Qss) практически не изменяется при таких условиях и, таким образом, не влияет на работу транзисторов. Из сравнения характеристик МНОП и ИСПТ видно (рис. 2), что они имеют разную крутизну, связанную с различием отношения W/L, и заметно разнесены по оси напряжений. Возрастание порогового напряжения ИСПТ в сравнении с МНОП происходит из-за наличия дополнительных электрохимических потенциалов в уравнении (3), отличающих его от (2). Воздействие отрицательного напряжения на ИСПТ, приложенного через элек- трод сравнения и электролит при заземленных остальных вы- 94 Рис. 2. Переходные характеристики р-канальных транзисторов ИСПТ и МНОП: 1 — исходная характеристика; 2 — после 4 ч выдержки под напряжением Uз—и = –8В; для МНОП транзистора характеристика не изменяется для указанных состояний. Для сравнения на этом же рисунке при- ведены аналогичные кривые для отожженных ИСПТ-образцов водах прибора, показало, что характеристики Iс = f(Uз—и) имеют тенденцию к по- степенному уменьшению тока в канале. При этом пороговое напряжение в резуль- тате полевого воздействия под напряжением –8 В в течение 1,5 ч в среднем воз- растает примерно на 50 мВ. Эти результаты проверялись на транзисторах, изго- товленных в разное время, и во всех случаях эта тенденция сохранялась. Кинетика изменения тока в канале ИСПТ показана на рис. 3. При воздействии положитель- ного потенциала на ИСПТ сдвиг в характеристиках Iс = f(Uз—и) не наблюдался. Проведенные эксперименты показали, что дрейф характеристик ИСПТ имеет ряд таких особенностей:  если отключить отрицательный потенциал от электрода сравнения и оста- вить ИСПТ в растворе, то вид характеристики Iс = f(Uз—и) сохраняется таким же, каким он был на момент отключения;  если после отключения отрицательного потенциала раствор удалить, а обра- зец высушить, то пороговое напряжение и, следовательно, ток в канале постепенно примут исходные значения;  смещение порогового напряжения увеличивается с увеличением потенциала на затворе;  небольшое отрицательное напряжение на затворе, близкое к нулю, практи- чески не влияет на характеристики транзистора;  при положительном напряжении на затворе дрейф характеристик не наблю- дается; последнее подтвердилось также на n-канальных ИСПТ. Эти эффекты свидетельствуют о том, что наблюдаемый дрейф характеристик ИСПТ может обусловливаться неравновесным процессом накопления положи- тельного заряда на поверхности диэлектрика. Для обоснования механизма такого процесса можно предложить следующую модель. 95 Рис. 3. Кинетика изменения тока в ка- нале ИСПТ при приложенном к выво- дам транзистора напряжении Uз—и = Uс—и = –4,5 В; исток и подложка зазем- лены Известно, что в нитриде кремния присутствуют ловушки, способные к захвату как положи- тельных, так и отрицательных зарядов, при этом ловушки поло- жительного заряда имеют мень- шую глубину [18]. Благодаря большому количеству «мелких» ловушек в приповерхностном слое нитрида кремния под действием внешнего электрического поля положительный заряд может перемещаться по этим ловушкам к поверхности и накапливаться в поверхностных состояниях. При этом происходит поляризация тонкого приповерхностного слоя нитрида кремния, граничащего с электролитом. Поскольку подвижность локализованного заряда ловушек невелика, то этот про- цесс несколько затянут во времени, его быстрая фаза составляет единицы минут, а медленная — часы (см. рис. 3). Отметим, что сразу после погружения датчика в раствор на поверхностных центрах нитрида кремния селективно захватываются ионы водорода Н + и гидрок- сила ОН – с общим зарядом 0, зависящим от уровня рН в растворе [9]. Поскольку измерения проводились при рН = 7, а точка нулевого заряда поверхности (уровень рН, при котором заряд поверхностных центров диэлектрика равен нулю) рНpzs для Si3N4 составляет 3—3,4 [19], то адсорбированный заряд 0 отрицателен. Соответ- ственно, заряд диффузионного слоя электролита e должен быть положителен. На рис. 4 приведено распределение зарядов в рассматриваемой структуре и изменение потенциала при подаче отрицательного напряжения, прикладываемого к электро- литу. Условие электронейтральности системы в целом предполагает, что общий за- ряд в системе равен нулю, и для исходного состояния (после включения затворно- го напряжения) это условие имеет вид e + 0 + s = 0, (4) где s — положительный заряд полупроводника, состоящий из заряда инверсион- ного слоя и заряда ионизированных доноров. При этом для исходного состояния (см. рис. 4, кривая 1) приложенное к структуре затворное напряжение Uз—и рас- пределяется таким образом: Uз—и = Us + Ud + Un – Ue. (5) Здесь обозначены падения напряжения: Us — на кремнии, Un — на приповерх- ностном слое нитрида, Ud — на остальной толщине диэлектрика, Ue — в слое электролита. По мере накопления избыточного положительного заряда n в поверхностном слое диэлектрика возникает внутреннее электрическое поле противоположного направления, частично экранирующее объем полупроводника от проникновения внешнего поля. В результате поле в кремнии уменьшается и, соответственно, уменьшается инверсный заряд в канале, а также его проводимость, что эквива- лентно повышению порогового напряжения ИСПТ. 96 Рис. 4. Распределение зарядов и изме- нение потенциала в системе электро- лит—диэлектрик—полупроводник для растворов со значением рН > pHpzs: 1 — начальное состояние системы; 2 — состояние после длительного воздей- ствия отрицательного затворного напряжения Uз—и. Пунктиром обозна- чены: в диэлектрике — граница поля- ризованного приповерхностного слоя нитрида кремния емкостью Сn, в элек- тролите — внешняя плоскость Гельм- гольца (ОНР) [13], образующая границу двойного слоя емкостью Сe Вместе с тем, накапливаемый положительный заряд n частич- но компенсирует отрицательный заряд поверхностных центров 0, расположенных со стороны элек- тролита. Поэтому для сохранения электронейтральности уравнива- ющий его положительный заряд в поверхностном слое электролита e тоже должен уменьшиться на некоторую ве- личину e. Новое зарядовое состояние системы запишется так: 00  snе . (6) Следовательно, распределение приложенного напряжения Uз—и теперь имеет вид (см. рис. 4, кривая 2) Uз—и = (Us – s) + (Ud – d) + (Un – n) – (Ue – e), (7) где s, d, n и e — изменение поверхностных потенциалов соответственно полупроводника, диэлектрика, поверхностного слоя нитрида кремния и электроли- та, возникшее в результате продолжительного воздействия внешнего поля. Количественное распределение зарядов в (6) будет зависеть от соотношения емкостей соответствующих слоев. Удельная емкость диэлектрика Сd ИСПТ состав- ляет 0,04 мкФ/см 2 . Принимая толщину dn поляризованного поверхностного слоя нитрида кремния весьма малой (несколько нанометров), определяем его эквива- лентную емкость: Cn = = 0n/dn  2—5 мкФ/см 2 . Наконец, емкость двойного элек- трического слоя раствора Ce составляет 1—10 мкФ/см 2 для электролитов с широ- ким диапазоном ионной силы 10 –1 —10 –5 моль/л [13]. Таким образом, поскольку Сd << Cn, Ce, то можно пренебречь изменением заряда в полупроводнике по срав- нению с другими слоями. Кроме того, заряд 0, селективно адсорбированный на поверхностных центрах, считаем неизменным (он практически не зависит от при- ложенного поля). В результате из (6) получаем, что заряд раствора изменился на величину возникшего поверхностного заряда нитрида кремния: e  –n. Оценим скачки потенциала в соответствующих слоях структуры. Значение емкости двойного слоя Сe для используемого в экспериментах фосфатного буфер- ного раствора рН = 7, рассчитанное по [13], составляет приблизительно 2 мкФ/см 2 , тогда уменьшение напряжения на двойном слое — e = e /Ce. По аналогии уменьшение напряжения в диэлектрике за счет образования поляризованного по- верхностного слоя определяется так: n = n /Cn. Учитывая равенство по модулю соответствующих приростов зарядов, получаем соотношение для потенциалов: e/n = Сn /Ce. При таком соотношении емкостей следует, что изменение напряжения в электролите e, обусловленное вариациями ука- занных выше зарядов, вполне может превысить по абсолютному значению паде- 97 ние напряжения на поверхностном слое нитрида n. Следовательно, результиру- ющий баланс приложенного затворного напряжения (7) будет достигаться. Вычитая из (5) выражение (7), получаем результирующее изменение разности потенциалов: s + d + n = e. Таким образом, уменьшение поверхностного потенциала полупроводника на s приводит к наблюдаемому в эксперименте уменьшению тока. При этом, чтобы вернуть ток к прежнему значению, соответ- ствующему исходному состоянию (5), приложенное напряжение Uз—и в (7) нужно увеличить на e, т.е. именно это значение и равно эквивалентному возрастанию порогового напряжения ИСПТ. Легко понять, что за счет существования двойного электрического слоя в электролите избыточный поверхностный заряд в нитриде кремния n будет сохра- няться и после отключения напряжения, и лишь после извлечения кристалла из раствора этот заряд постепенно распределится по диэлектрику. Оценим избыточные заряды, возникающие в системе. Изменение заряда в электролите (на единицу площади поверхности) определяется так: ,Teeee UCC  (8) где UT — изменение порогового напряжения ИСПТ, равное 0,05 В. Приняв Ce = 2 мкФ/см 2 , получаем заряд e = 10 –7 Кл/см 2 . Учитывая, что \|e\|  \|n\|, и принимая Cn = 2,5 мкФ/см 2 (при dn = 2 нм), находим n = n/Cn  0,04 В. Тогда изменение разности потенциалов на остальной части диэлектрика и в кремнии вместе состав- ляет s +d  0,01 В. Наконец, плотность ловушек в поверхностном слое нитри- да кремния, которая участвует в удержании избыточного заряда, равна Nn = n/q = = 0,6  10 12 см –2 . Полученное значение, очевидно, не противоречит типовым значе- ниям плотности поверхностных состояний для нитрида кремния. Известно, что наличие водорода в пленках Si3N4 существенно влияет на их свойства [20]. Водород заполняет разорванные связи на поверхности и в объеме диэлектрика, уменьшая плотность мелких ловушек в запрещенной зоне. Поэтому исследуемые кристаллы после первой серии опытов отжигались в водороде при температуре 500 С. Одновременно с готовыми кристаллами отжигались специ- ально подготовленные для ИК-спектроскопии образцы. На отожженных образцах повторялась серия экспериментов, описанная выше. Измерения показали, что на этих образцах смещение характеристик Iс = f(Uз—и) после выдержки ИСПТ при напряжении Uз = = –8 В в течение 4 ч уже не наблюдалось (см. рис. 2). Можно предположить, что заполнение водородом незаполненных связей уменьшает количество ловушек в объ- еме нитрида кремния, а реструктуризация поверхности вследствие отжига умень- шает количество поверхностных состояний. В результате, как мы полагаем, в зна- чительной мере исчезает возможность для перемещения носителей заряда по ло- вушкам и накопления избыточного положительного заряда на поверхности нитрида кремния. Это, в конечном итоге, обусловливает долговременную стабильность по- рогового напряжения ИСПТ. ВЫВОДЫ На основании анализа полученных данных выдвинуто предположе- ние о механизме наблюдаемой нестабильности электрических параметров иссле- дуемых ИСПТ. Процесс может быть вызван наличием значительных структурных дефектов на поверхности нитрида кремния, и сопутствующих им «мелких» лову- шек заряда, что может приводить к постепенному смещению локализованного по- ложительного заряда к границе раздела с электролитом при продолжительном воз- действии открывающего напряжения. Установлено, что такие изменения имеют обратимый характер, однако вноси- мые ими искажения могут быть нежелательными при проведении длительных не- прерывных измерений. Показано, что отжиг кристаллов в водороде значительно 98 уменьшают дрейф порогового напряжения и таким образом улучшают стабильность ИСПТ-датчиков, что происходит за счет пассивации незаполненных связей и ре- структуризации поверхностных дефектов диэлектрика. Показано, что при конструировании ИСПТ и разработке соответствующей ап- паратуры контроля желательно использовать такие режимы включения приборов, при которых к затвору транзистора прикладывалось бы минимально возможное напряжение. С этой точки зрения предпочтительными являются транзисторы со встроенным каналом. Работа выполнена при финансовой поддержке НАН Украины в рамках ком- плексной научно-технической программы «Сенсорні системи для медико- екологічних та промислово-технічних потреб», а также проекта УНТЦ № 4591. A.S. Pavlychenko, A.L. Kukla, Yu.V. Goltvianskyi, V.M. Arkhypova, S.V. Dzyadevych, A.P. Soldatkin INVESTIGATION OF STABILITY OF CHARACTERISTICS OF THE pН-SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTORS The drift of transfer characteristics and threshold voltage of the p-channel ion- selective field-effect transistors with induced channel, caused by long-term continuos influence of nega- tive voltage applied to the channel area through the two-layer SiO2/Si3N4 gate dielectric has beck inves- tigated. Based on the experimental data a mechanism of the observed instability is proposed. It is shown that annealing in hydrogen at the final stage of sensors manufacturing improves the stability of their characteristics. Keywords: ion-selective field effect transistor (ISFET), silicon nitride, threshold voltage, drift. 1. Тернер Э. Биосенсоры: основные приложения. — М.: Мир, 1992. — 614 с. 2. Bergveld P. ISFET, Theory and Practice // IEEE Sensor Conference. — Toronto, Canada, Oct. 2003. — P. 1—26. 3. Bergveld Р. Thirty years of ISFETOLOGY — What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years // Sensors and Actuators, B. — 2003. — 88. — P. 1—20. 4. Jimenez-Jorquera C., Orozco J., Baldi A. ISFET Based Microsensors for Environmental Monitoring // Sensors. — 2010. — 10. — P. 61—83. 5. Bergveld P. Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements // IEEE Trans. Biomed. Eng. — 1970. — 17. — P. 70—71. 6. Matsuo T., Wise K.D. An integrated field effect electrode for biopotential recording // Ibid. — 1974. — 21. — P. 485—487. 7. Yates, D.E., Levine, S., Healy, T.W. Site-Binding Model of the Electrical Double Layer at the Ox- ide/Water Interface // J. Chem. Soc. Faraday Trans. — 1974. — 70. — P. 1807—1819. 8. Meixner L.K., Koch S. Simulation of ISFET operation based on the site-binding model // Sensors and Actuators, B. — 1992. — 6, N 1—3. — P. 315—318. 9. van Hal R.E.G., Eijkel J.C.T., Bergveld P. A novel description of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer capacitance as key parameters // Sensors and Actuators. B. — 1995. — 24—25. — P. 201—205. 10. Harame D.L., Bousse L. et al. Ion-sensing devices with silicon nitride and borosilicate glass insula- tors // IEEE Trans. El. Dev. — 1987. — ED-34, N 8. — P. 1700—1707. 11. Hackley V.A., Malghan S.G. The surface chemistry of silicon nitride powder in the pre- sence of dissolved ions // J. Mater. Sci. — 1994. — 29. — P. 4420—4430. 12. Akiyama T., Ujichira Y. et al. Ion-sensitive FET with inorganic gate oxide for pH sensing // IEEE Trans. El. Dev. — 1982. — ED-29, N 12. — P. 1936—1941. 13. Sui W., Cobbold R. Basic properties of the electrolyte-SiO2-Si system: Physical and theoretical as- pects // Ibid. — 1979. — ED-26, N 11. — P. 1805—1815. 14. Yu G.T., Yen S.K. Hydrogen ion diffusion coefficient of silicon nitride thin films // Appl. Surf. Sci. — 2002. — 202. — P. 68—72. 15. Kühnhold R., Ryssel H. Modeling the pH response of silicon nitride ISFET devices // Sensors and Actuators. B. — 2000. — 68. — P. 307—312. 16. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — 455 с. 17. Breed D.J., Kramer R.P. Charge trapping in MOS systems // Thin Solid Films. — 1972. — 13, N 1. — P. 1—4. 18. Yun B.H. Electron and hole transport in CVD Si3N4 films // Appl. Phys. Lett. — 1975. — 27. — P. 256. 99 19. Poghossian A.A. Determination of the pHpzc of insulators surface from capacitance-voltage charac- teristics of MIS and EIS structures // Sensors and Actuators. B. — 1997. — 44, N 1—3. — P. 551— 553. 20. Структура и оптические свойства сформированных с применением низкочастотного плазмо- химического осаждения пленок SiHx:H, содержащих нанокластеры кремния / Т.Т. Корчагина, Д.В. Марин, В.А. Володин, А.А. Попов и др. // ФТП. — 2009. — 43, вып. 11. — С. 1557— 1563. Институт физики полупроводников Получено 05.04.2010 им. В.Е. Лашкарева НАН Украины Проспект Науки 41, 03028 Киев

Исследование стабильности характеристик рН-чувствительных полевых транзисторов

Institution

Ähnliche Einträge