Elsevier

Solid-State Electronics

Volume 10, Issue 8, August 1967, Pages 865-873
Solid-State Electronics

Tunneling in metal-oxide-silicon structures

https://doi.org/10.1016/0038-1101(67)90169-4Get rights and content

Abstract

Measurements of d.c. and a.c. tunneling characteristics are performed on Si-SiO2-Cr/Au structures using p++, p, and n++ type silicon and various SiO2 layers less than 50 Å thick. For p++ type samples, strong influences by the silicon band structure and the interface-state densities are observed in the I-V characteristics. The tunneling currents are found to increase rapidly for an applied negative voltage on the metal exceeding 1.1 V corresponding to the silicon band gap. These currents decrease by about one to two orders of magnitude by changing from dry to steam-grown and hydrogen-annealed oxide layers of the samples. For n++ type samples, no strong influence of the interface states is observed. Schottky emission characteristics are also observed on samples with relatively lower dopings and thinner oxide films such that the Fermi level of the metal is virtually pinned to the semiconductor surface. These results are qualitatively explained using simple energy band models including surface states at the semiconductor-oxide interface. From the admittance measurements, an equivalent circuit for MOS tunneling structures is constructed.

Résumé

Les mesures de caractéristiques de tunnel à courant continu et alternatif sont faites sur des structures Si-SiO2-Cr/Au en employant du silicium p++, p et n++ et diverses couches SiO2 ayant des épaisseurs inférieures à 50 Å. Pour les échantillons de type p++, de fortes influences dues à la structure de bande de silicium et aux densités interface-état sont observées dans les caractéristiques C-T. On trouve que les courants tunnels augmentent rapidement en fonction d'une tension négative appliquée sur le métal dépassant 1,1 v correspondant à l'intervalle de bande du silicium. Ces courants diminuent par un ordre de grandeur d'une ou deux fois en changeant les couches sèches des échantillons en d'autres développées à vapeur ou d'autres en oxyde recuites à hydrogène. Pour les échantillons de type n++, aucune forte influence des états d'interface n'est observée. Les caractéristiques d'émission Schottky sont aussi observées sur les échantillons ayant une dope relativement plus faible et des pellicules d'oxyde plus fines telles que le niveau Fermi du métal est virtuellement fixe à la surface du semiconducteur. Ces résultats sont expliquées qualitativement en employant des modèles à bande d'énergie simple comprenant des états de surface à l'interface semiconducteuroxyde. Des mesures d'admittance est construit un circuit équivalent pour les structures de tunnel MOS.

Zusammenfassung

Messungen der Gleichstrom- und Wechselstromtunnelkennlinien wurden an der Struktur Si-SiO2-Cr/Au ausgeführt. p++, p- und n++-Silizium und mehrere SiO2-Schichten dünner als 50 Å wurden dabei verwendet. Bei p++-Proben ergab sich ein starker Einfluss der Siliziumbandstruktur und der Dichte der Oberflächenzustände auf die I-V-Kennlinien. Die Tunnelströme wachsen sehr rasch, wenn die an das Metall angelegte Spannung 1,1 V, entsprechend dem Bandabstand des Siliziums, übersteigt. Diese Ströme nehmen um eine oder zwei Grössenordnungen ab, wenn man von trockenen Oxydschichten zu solchen Schichten übergeht, die in Wasserdampf gewachsen sind und anschliessend in Wasserstoff getempert wurden. Bei n++-Proben wurde kein starker Einfluss der Grenzflächenzustände beobachtet. Die Kennzeichen der Schottky-Emission werden an Proben mit kleineren Dotierungen und dünneren Oxydschichten beobachtet, bei denen das Ferminiveau des Metalls an der Halbleiterobeffläche liegt. Diese Ergebnisse werden anhand eines einfachen Energiebandmodels erklärt, das Oberflächenzustände in der Grenzfläche Gleichrichter-Oxyd einschliesst. Entsprechend den Leitwertmessungen wurde ein Ersatzschaltbild für MOS-Tunnelelement konstruiert.

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