СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ИЗГИБА ЗОН ПОЛУПРОВОДНИКА ψ В МДП-СТРУКТУРЕ Российский патент 1998 года по МПК G01R31/26 

Изобретение касается измерения и контроля электрофизических параметров полупроводников и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур.

В настоящее время для определения поверхностного изгиба зон ψ_s широко используются методы как равновесных [1], так и неравновесных [2] вольтфарадных характеристик (ВФХ). Однако эти методы не обеспечивают достаточной экспрессности, точности и простоты процедуры измерений, так как величина изгиба зон ψ_s определяется в них косвенно и лишь путем расчета по формулам, в которых в качестве параметров используются: емкость МДП-структуры (C), которую обычно измеряют в ВФХ, и концентрация легирующей примеси (N), которую берут либо из паспорта на используемую подложку, либо вычисляют из равновесной ВФХ [1] по величине высокочастотной емкости С_инв, соответствующей режиму формирования в МДП-структуре режима равновесного инверсионного слоя, или из неравновесной ВФХ [2], полученной при сверхбольших скоростях изменения напряжения смещения на МДП-структуре dv/dt>10⁶B/C по ее крутизне dc/dv. Необходимо отметить, что использование способа [1] в ряде случаев может быть существенно затруднено. Например, из-за наличия утечек в диэлектрике МДП-структуры условия формирования равновесного инверсионного слоя не будут выполняться, что не позволит вычислить величину С_инв, а следовательно, и определить N с достаточной степенью точности. Использование же паспортной величины N, являющейся характеристикой объема полупроводника, не всегда корректно, так как величина N в приповерхностной области полупроводника МДП-структуры может существенно отличаться от ее объемного значения для исходной полупроводниковой подложки.

Основным недостатком способа [2] является необходимость использования высокочастотной и сверхвысокочастотной аппаратуры для надежного отделения ВЧ или СВЧ сигнала от токов смещения при сверхбольших значениях dv/dt, что существенно усложняет реализацию способа. Существенным недостатком способов [1] и [2] является то, что частотный диапазон, в котором могут быть найдены параметры МДП-структур, определяется не частотным диапазоном работы применяемых радиотехнических устройств, а диапазоном частот, на 1-2 порядка меньшим. Это обусловлено тем обстоятельством, что в способах [1] и [2] всегда используются два независимых модулирующих состояния структуры сигнала (сигнал смещения и высокочастотный тестовый сигнал), разнесенные по диапазону частот не менее чем на 1-2 порядка. А так как измерения параметров МДП-структур проводятся именно в диапазоне частот изменения сигнала смещения, то это и уменьшает на 1-2 порядка диапазон частот, в котором используемая аппаратура реализует известные способы [1] и [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ определения изгиба зон в полупроводнике, описанный в [3]. Сущность способа заключается в приложении к МДП-структуре модулирующего импульса напряжения прямоугольной формы амплитудной V_а и регистрации напряжения на нагрузочной емкости C_н, включенной последовательно с МДП-структурой. При этом поверхностный изгиб зон ψ_s полупроводника выражается через напряжение V_н на нагрузочной емкости C_н, амплитуду модулирующего импульса V_а, емкость диэлектрика МДП-структуры C_о и величину нагрузочной емкости C_н следующим образом:
ψ_s = V_а - V_н(1+C_н/C_о) (1)
Основным недостатком данного способа является то, что он не позволяет непосредственно определить зависимость изгиба зон от модулирующего напряжения ψ_s(V_a), так как в способе [3] ψ_s вычисляется лишь косвенным путем на основании измерений V_а, V_н и отношения C_н/C_о в соответствии с (1). Это приводит, во-первых, к большой погрешности определения величины ψ_s (при малых ψ_s), которая может существенно (на порядок и более) превышать погрешность измерения входящих в выражение (1) величин, так как ψ_s находится как разность близких друг к другу величин; во-вторых, существенно усложняет процедуру определения ψ_s, так как требует проведения вычислительных операций; в-третьих, не обеспечивает достаточной экспрессности за счет невозможности непосредственного получения и простой интерпретации результатов измерений.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением - получение возможности непосредственно регистрировать зависимости изгиба зон полупроводника ψ_s(V_a) от модулирующего МДП-структуру напряжения V_а, с различной скоростью α его изменения, а также увеличение точности и повышение экспрессности определения ψ_s(V_a). Этот результат достигается тем, что в качестве модулирующего напряжения используют напряжение пилообразной формы и определяют зависимость ψ_s от величины модулирующего напряжения V_а по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения.

Для доказательства соответствия предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень" отметим, что признак "зависимость ψ_s(V_a) от величины модулирующего напряжения V_а по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и объединяющей структуру основными носителями заряда полуволн пилообразного модулирующего напряжения" в известных технических решениях нами не обнаружен.

Покажем, как в способе реализуется возможность непосредственного определения зависимости ψ_s от величины модулирующего напряжения V_а. Это оказывается возможным благодаря компенсации части сигнала, снимаемого с нагрузочной емкости C_н при обеднении МДП-структуры основными носителями заряда, компенсирующим напряжением, которое представляет из себя модулирующее напряжение V_а, уменьшенное в (1+C_н/C_о) раз. При этом, как показывает анализ способа с использованием выражения (1), получаем следующее выражение для изгиба зон ψ_s:

При этом компенсирующее напряжение, равное V_а/(1+C_н/C_о), как показывает эксперимент, формируется в предлагаемом способе на нагрузочной емкости C_н при подаче на МДП-структуру полуволн пилообразного напряжения, обогащающего ее основными носителями заряда. Так, например, для полупроводника p-типа проводимости обогащающее напряжение имеет отрицательную величину, а для полупроводника n-типа - положительную величину. Таким образом, как это хорошо видно из (2) величина ψ_s непосредственно определяется по величине сигнала ΔV_н, являющейся разностью между компенсирующим напряжением и сигналом с нагрузочной емкости C_н. Абсолютная величина ψ_s, как это видно из (2), отличается от ΔV_н в постоянное число раз, равное (1+C_н/C_о), а сама величина (1+C_н/C_о) является просто масштабным коэффициентом. По этой причине непосредственно измеряемая величина ΔV_н и зависимость ее от модулирующего напряжения V_а с учетом масштабного коэффициента полностью тождественна величине поверхностного изгиба зон ψ_s и зависимости ψ_s от V_а. Непосредственная регистрация зависимостей ψ_s(V_a) позволяет существенно расширить применение способа, позволяя проводить экспрессный контроль качества технологического процесса изготовления МДП-структур и определение ряда важнейших параметров МДП-структур, таких, как плотность поверхностных состояний N_ss, плотность встроенного заряда, генерационное и объемное время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Отметим, что в известных работах [1-3] величина ψ_s обычно рассчитывается, причем наиболее простое соотношение используется в [3], но так как ψ_s является разностью двух больших и близких друг к другу величин (см. выражение (1)), погрешность ее определения оказывается достаточно большой величиной (приблизительно 20% и более).

Предложенный нами компенсационный метод непосредственной регистрации зависимости ψ_s(V_a) существенно уменьшает погрешность определения величины ψ_s, которая определяется классом используемых измерительных приборов и может составлять 2-4%.

Рассмотрим один из вариантов реализации предлагаемого способа. В этом варианте компенсирующее напряжение получается (формируется) за счет использования емкостного моста, в одно из плеч которого включена МДП-структура с нагрузочной емкостью C_н, а в другое плечо - эталонная переменная емкость C_э, которая может принимать значение, равное C_о, с нагрузочной емкостью C_н, причем . Подавая на одну диагональ моста пилообразное напряжение V_а, а в другую диагональ включив регистрирующее устройство, имеющее прямой и противофазный вход (например, осцилограф), можно непосредственно регистрировать зависимости ψ_s(V_a) МДП-структуры (см. фиг. 1). Здесь:
1 - емкостная мостовая схема, состоящая из емкости МДП-структуры (C_МДП), нагрузочных емкостей , в качестве которых удобно использовать магазины емкостей, и эталонная емкость C_э, равная емкости C_о МДП-структуры;
2 - генератор пилообразного напряжения (например, типа Г6-15);
3 - источник постоянного напряжения смещения (например, Б5-43);
4 - запоминающий осцилограф типа С8-13, используемый в качестве регистрирующего устройства.

Рассмотрим еще один более простой вариант реализации предлагаемого способа (фиг. 2), в котором компенсирующее напряжение формируется за счет фиксированного ослабления пилообразного напряжения V_а на штатном входном делителе (ослабителе) регистрирующего устройства, например на противофазном входе осцилографа 4 - вход II (1:100). При этом на синфазный вход осцилографа 4 подается сигнал с нагрузочной емкости C_н, включенный последовательно с МДП-структурой. В этом варианте реализации способа сначала задается фиксированный масштабный коэффициент ослабления (например, 1:100) пилообразного напряжения V_а, а затем так изменяется величина C_н, чтобы величина (1+C_н/C_о) равнялась выбранному масштабному коэффициенту деления (1:100). Выбор C_н при этом легко осуществить путем перевода МДП-структуры в режим обогащения, подавая на нее полуволну пилообразного напряжения, обогащающую ее основными носителями заряда, и изменяя величину C_н до тех пор, пока сигнал на экране осцилографа не станет равным нулю, т.к. именно в состоянии обогащения МДП-структуры C_МДП = C_о.

После этого на МДП-структуру подается полуволна пилообразного напряжения, обедняющая ее носителями заряда, и на экране осцилографа регистрируется зависимость ψ_s(V_a). Отсчет величины ψ_s/ производится непосредственно с экрана осцилографа с учетом коэффициента деления входного делителя противофазного входа осцилографа.

В качестве примера, иллюстрирующего возможность применения предложенного способа непосредственного измерения и регистрации зависимостей ψ_s(V_a), рассмотрим результаты практического использования способа для структур Al-SiO₂-Si для измерения плотности заряда поверхностных состояний (N_ss). Нами исследовались МДП-структуры на p-Si (КДБ-1) с диэлектриком SiO₂ толщиной 100 нм, полученным окислением кремния в сухом кислороде (T = 1150^oC). Круглые электроды диаметром 0,64 мм получались путем термического напыления Al в вакууме через металлическую маску. Последовательность действий при реализации способа была следующая:
1. В регистрирующем устройстве (осцилограф С8-13) устанавливаем коэффициент ослабления входного делителя входа II равным 100, т.е. осуществляем деление модулирующего напряжения в отношении 1:100.

2. Подаем на МДП-структуру полуволну пилообразного напряжения, соответствующую ее переводу в режим обогащения, а сигнал с нагрузочной емкости C_н, включенной последовательно с МДП-структурой, подаем на вход I осцилографа и устанавливаем ослабитель этого входа в положении 1:1, причем выбираем величину C_н такой, чтобы сигнал на экране осцилографа был равен нулю.

3. Подаем полуволну пилообразного обедняющего напряжения на МДП-структуру и вход II осцилографа и регистрируем на экране осцилографа зависимость ψ_s(V_a), причем величину ψ_s определяем по положению входных делителей входа II осцилографа.

4. Устанавливаем в зависимости от целей эксперимента требуемые скорости изменения α пилообразного напряжения на прямом (напряжение изменяется в сторону обеднения структуры) и обратном (напряжение изменяется в сторону обогащения) ходу, а также требуемые времена выдержки структуры в обеднении в конце прямого хода модулирующего напряжения.

Отметим, что для различных скоростей α изменения пилообразного напряжения получаются разные зависимости ψ_s(V_a). Эти особенности зависимостей ψ_s(V_a) и позволяют определять ряд важных параметров МДП-структур.

Основной критерий выбора скорости α заключается в сопоставлении ψ_s(V_a) для прямого и обратного хода развертки пилообразного напряжения с точки зрения их неравновесности и зависимости от α. Так как прямой ход зависимости ψ_s(V_a) должен быть полностью неравновесен, то α увеличивают до тех пор, пока положение прямого хода зависимости ψ_s(V_a) не перестанет изменяться при увеличении α.

Для обратного хода, т.к. он должен быть полностью равновесным, реализуется обратная ситуация, а именно α уменьшают до тех пор, пока положение обратной ветви зависимости ψ_s(V_a) не перестанет изменяться при уменьшении α. Равновесную зависимость ψ_s(V_a) можно зарегистрировать и на прямом ходу развертки при значительном уменьшении α.

Т. к. конкретный диапазон значений величины α определяется параметрами измеряемой МДП-структуры, то он определяется опытным путем и заранее в конкретных цифрах не может быть указан.

Отметим, что при различных скоростях изменения пилообразного напряжения на МДП-структуре необходимо обеспечить выполнение условия, чтобы постоянная времени входной цепи регистрирующего устройства τ = R_вх. C_н была по крайней мере на порядок больше длительности прямого или обратного хода пилообразного напряжения. Для быстрых разверток это условие легко выполняется, так как τ = 10⁶Ом•10^-9ф = 10^-3c. Для медленных разверток (примерно 1 с) использовался повторитель на входе регистратора с высоким входным сопротивлением R_вх=10¹⁰ - 10¹² Ом.

При определении плотности поверхностных состояний, поверхностного фиксированного заряда, плотности перезаряжающихся ловушек в диэлектрике проводят сопоставление зависимостей ψ_s(V_a), полученных при различных скоростях изменения пилообразного напряжения. В качестве примера на фиг. 3 приведены такие зависимости для прямого хода. При этом различают равновесные зависимости ψ_s(V_a), измеренные на малых скоростях α изменения пилообразного напряжения, подаваемого на МДП-структуру (зависимости 1), и сугубо неравновесные, измеренные на сверхбольших α (зависимости 2). Видно, что в области обедняющих потенциалов равновесная зависимость 1 смещена относительно зависимости 2 по оси напряжений. Этот сдвиг обусловлен вкладом заряда перезаряжающихся поверхностных состояний при медленном изменении напряжения смещения. Такой вклад отсутствует для зависимости 2, для которой заряд на поверхностных состояниях практически постоянен (заморожен) из-за высокой скорости изменения напряжения. Используя зависимости 1 и 2, приведенные на фиг. 3, можно достаточно просто определить величину N_ss.

Существенным достоинством предложенного способа является простота его практической реализации. Измерение параметров МДП-структур не требует применения специальной широкополостной ВЧ или СВЧ аппаратуры, так как в способе непосредственно измеряется такой важный физический параметр, как изгиб зон или поверхностный потенциал полупроводника ψ_s(V_a), это значительно облегчает и ускоряет обработку результатов измерений по известным моделям, в которых используется для расчета изгиб зон или поверхностный потенциал.

Важное преимущество данного способа заключается также в том, что благодаря отсутствию высокочастотного сигнала, по которому обычно определяют состояние МДП-структуры [1, 2], в способе само напряжение модуляции является одновременно тестовым сигналом, по которому определяется состояние МДП-структуры, а именно величина изгиба зон, которая определяется непосредственно.

На основании вышеизложенного считаем предлагаемый способ эффективным средством контроля параметров МДП-структур, следовательно он может быть рекомендован для широкого применения при производстве полупроводниковых приборов и различных интегральных схем на базе МДП-структур, т.к. он может повысить точность и обеспечить экспрессность контроля качества их изготовления.

Изобретение относится к области измерения и контроля электрофизических параметров и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - получение возможности непосредственно регистрировать зависимость изгиба зон полупроводника ψ_s(V_a) от модулирующего МДП-структуру напряжения с различной скоростью α его изменения. Он достигается тем, что в качестве модулирующего напряжения используют напряжение пилообразной формы и определяют зависимость ψ_s от величины модулирующего напряжения по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения. 3 ил.

Способ определения поверхностного изгиба зон полупроводника ψ_s в МДП-структурах, включающий подачу на МДП-структуру модулирующего напряжения и регистрацию сигнала на нагрузочной емкости, включенной последовательно с МДП-структурой, отличающийся тем, что в качестве модулирующего напряжения используют пилообразное напряжение и определяют зависимость ψ_s от величины модулирующего напряжения по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения.