Frequency response of Si–SiO2 interface states on thin oxide MOS capacitors

Abstract

The frequency dependence of the impedance of interface states on thermally oxidized silicon has been measured using MOS capacitors with very thin (83 A) oxides on non-degenerate p-type silicon. Frequency response of the capacitance and conductance was measured from 10 Hz to 50 MHz at 142, 178, and 220 °K. The frequency response deviates significantly from that predicted by the Shockley-Read-Hall model applied to interface states. The high-frequency portion of the frequency response can be explained by the SRH theory if it is assumed that there exists a variation of oxide charge concentration over the area of the device. At low frequencies the conductance can be explained by a two-step model consisting of the SRH process plus elastic tunneling between interface states and traps located in the oxide. This model was previously employed by Fu and Sah in connection with I/f noise. The two-step model, modified to account for areal variation of oxide charge concentration, explains the observed frequency response at all three temperatures over six decades of frequency. Es wurde die Frequenzabhangigkeit der Impedanz der Energieniveaus in der Grenzflache von thermisch oxydiertem Silizium gemessen. Dabei wurden MOS-Kapazitaten mit sehr dunnem (83 A) Oxid auf nicht entartetem p-Silizium verwendet. Das Frequenzverhalten der Kapazitat und des Realteiles des Leitwertes wurden von 10 Hz bis 50 MHz bei 142, 178 und 220 °K gemessen. Dieses Frequenzverhalten weicht stark von dem Shockley-Read-Hall-Modell ab, wenn dieses auf Energieniveaus in der Grenzflache angewendet wird. Im Hochfrequenzbereich kann das Frequenzverhalten mit der SRH-Theorie erklart werden, wenn man eine raumliche Verteilung der Oxidladungen annimmt. Im Bereich niedriger Frequenzen kann der Realteil des Leitwertes mit Hilfe eines 2-Stufen Modells erklart werden, das aus dem SRH-Prozes und elastischem Tunneln zwischen Energieniveaus in der Grenzflache und im Oxid besteht. Dieses Modell war kurzlich von Fu und Sah im Zusammenhang mit dem l/f-Rauschen angewendet worden. Wenn die raumliche Abhangigkeit der Oxidladungen in das Zwei-Stufen Modell einbezogen wird, kann man mit ihm die beobachtete Frequenzabhangigkeit bei allen drei Temperaturen uber sechs Dekaden im Frequenzbereich erklaren.