СПОСОБ КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОСТРУКТУР ТРАНЗИСТОРА n-МОП В ТЕХНОЛОГИЯХ КМОП/КНС И КМОП/КНИ Российский патент 2012 года по МПК H01L21/66 B82B3/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению электрофизических параметров полупроводниковых транзисторных структур, и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе структур «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП).

В современной электронике широкое распространение получили комплементарные, т.е. взаимодополняющие, структуры «металл-оксид-полупроводник» (КМОП), сформированные в тонком приборном слое кремния на сапфировой подложке (КМОП/КНС) или в гетероэпитаксиальных структурах со скрытым слоем изолятора из диоксида кремния (КМОП/КНИ). Такие структуры имеют общее название «кремний-на-диэлектрике» (КНД).

Известны способы измерения электрофизических параметров (ЭФП) структур КМОП/КНД с использованием эффекта Холла /1/ (подвижность носителей заряда и их концентрация) и измерения вольт-фарадных характеристик CVG- или CV-метрия /2/ (подвижность носителей заряда и их концентрация).

Однако при проведении импульсных радиационных исследований интегральных схем, изготовленных по технологии КНД, актуальной задачей является контроль буферного слоя на границе раздела «полупроводник-диэлектрик», содержащий существенное количество дефектов структуры полупроводникового материала, непосредственно после воздействия радиационного импульса. Это особенно важно для слоев p-типа проводимости («p-карманов»), в которых формируются n-канальные полевые транзисторы структуры МОП. Для изучения кинетики изменения концентрации носителей заряда необходимо проводить измерения за время порядка нескольких миллисекунд (мс). Методы Холла и CVG занимают для измерений несколько минут и требуют громоздкого дорогостоящего оборудования.

Результаты измерений подвижности и концентрации носителей заряда в буферном слое исследуемых структур в этом случае являются интегральными по объему буферного слоя и продолжительному временному интервалу, что снижает точность измерений и исключает возможность получения профиля распределения объемной концентрации носителей заряда p_V(z).

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому способу является способ, изложенный в /3/, в соответствии с которым на структуру МДП подают и регулируют постоянное напряжение смещения, затем также подают на структуру первый обедняющий импульс напряжения и измеряют соответствующую ему интегральную емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, дополнительно подают второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой, равной или большей удвоенной амплитуды первого обедняющего импульса, совмещают во времени первый и второй обедняющие импульсы, дополнительно измеряют интегральную емкость на третьем обедняющем импульсе с амплитудой, равной разности второго и первого обедняющих импульсов, напряжение плоских зон определяют из напряжения смещения при выполнении условия:

,

где С₁ - интегральная емкость, измеренная на первом импульсе; С₂ - интегральная емкость, измеренная на втором импульсе; С₃ - интегральная емкость, измеренная на третьем импульсе. В результате с использованием известных соотношений вычисляют напряжение в режиме плоских зон U_FB и далее концентрацию легирующей примеси N_V.

Недостаток способа /3/ состоит в том, что, во-первых, для реализации режима плоских зон необходима регулировка напряжения смещения в определенном диапазоне значений; во-вторых, применение мостовой схемы измерения CV-характеристик; в-третьих, одновременная подача на измеряемую структуру МДП трех напряжений смещения: постоянного с регулируемой амплитудой; высокочастотного для измерения дифференциальной емкости; импульсных напряжений трех видов для проведения сравнительных измерений; в-четвертых, отсутствие требований к длительности обедняющих импульсов, которые определяют режим релаксации зарядового состояния в ОПЗ.

Техническим результатом заявляемого способа является импульсное кулонометрическое измерение таких ЭФП, как профиль распределения концентрации носителей заряда в буферных слоях, структур КНД, их подвижности, величины стационарного встроенного заряда в конденсаторе МДП и сопротивления утечки подзатворного диэлектрика по результатам анализа переходных процессов при воздействии на тестовый конденсатор структуры МДП прямоугольного импульса напряжения при длительности цикла измерения менее 1 мс.

Технический результат достигается тем, что в способе кулонометрического измерения электрофизических параметров наноструктур транзистора n-МОП в технологиях КМОП/КНС и КМОП/КНИ путем подачи на затвор структуры импульса напряжения прямоугольной формы положительной полярности длительностью τ и величиной U_P и контроля тока, протекающего через измерительный резистор R_H, включенный последовательно между источником импульсного напряжения U_P и затвором транзистора, включенного в режиме конденсатора структуры МДП, в состав тестового кристалла, сформированного по единой базовой технологии, как и для основной БИС, включают конденсатор МДП и фоторезистор с заданными конструктивами, величину сопротивления измерительного резистора R_H ограничивают значением 100 кОм, длительность импульса напряжения ограничивают величиной 10 мс, амплитуду импульса генератора выбирают из условий формирования на зависимости падения напряжения U_R на измерительном резисторе во времени пяти характерных участков с амплитудой A_i и временем завершения формирования t_i, включающих участок Ф1 интегрирования переднего фронта импульса, участок Ф2 отсечки буферного слоя или формирования нелинейного конденсатора, участок Ф3 формирования инверсного слоя заряда, участок Ф4 формирования резистивных утечек подзатворного диэлектрика, участок С1, формируемый выходными характеристиками генератора импульсов, участок С2, формируемый величиной сопротивления измерительного резистора R_H, измеряют при фиксированной амплитуде импульса напряжения U_P величину падения напряжения U_R на измерительном резисторе, концентрацию носителей заряда в буферном слое определяют из соотношения

а поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда определяют из соотношений

где е - заряд электрона; S=L_CW_C - площадь конденсатора МДП; L_C и W_C - его длина и ширина; d_Si - толщина приборного слоя кремния, измеряют величину сопротивления R_PhR фоторезистора из состава тестового кристалла, а величину эффективной подвижности носителей заряда определяют из соотношения

где L_R и W_R - длина и ширина фоторезистора; R_PhR - сопротивление фоторезистора.

На участке Ф3 формирования инверсного слоя при фиксированном напряжении генератора импульсов U_P определяют величину электрического заряда в конденсаторе МДП с использованием соотношения

а суммарную концентрацию дырок в инверсном слое и слое объемного заряда определяют с использованием соотношения

После завершения релаксационных процессов на участках Ф1, Ф2 и Ф3 на участке Ф4 измеряют амплитуду падения напряжения U_R на измерительном резисторе R_H, а сопротивление вертикальной утечки подзатворного диэлектрика определяют из соотношения

а в качестве критерия качества конденсатора МДП выбирают эффективную концентрацию носителей при напряжении импульса генератора U_P=5В

Для оценки максимальной напряженности электрического поля в конденсаторе МДП величину амплитуды тестового импульса устанавливают на уровне ~5 В и, используя предварительно полученные данные о толщине приборного слоя d_Si, толщине оксидного слоя d_OX, определяют величину максимальной напряженности электрического поля из соотношения

Для измерения профиля распределения концентрации носителей заряда устанавливают длительность зондирующего импульса величиной 100 мкс, а амплитуду его U_P варьируют дискретно с шагом ΔU_P=1 В в диапазоне от 1 до 10 В, вплоть до насыщения контролируемого сигнала U_R на участке Ф2, а величину соответствующего U_P заряда буферного слоя определяют интегрированием в интервале времени (0, t_Ф3) контролируемого сигнала U_P(t) с использованием соотношения

где сброшенный заряд утечки ΔQ_B определяется из соотношения

поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда p_V определяют из соотношений (2), при построении профилей распределения концентрации примесей p_S(z) и p_V(z)_ в качестве координаты z используют величины

где d_Si - толщина слоя кремния, U_P(10)_=10 В, a U_P(n). принимает значения от 1 до 10 В с шагом 1 В.

На фиг.1 показаны структуры:

(а) - тестового конденсатора МДП типа "Ring" с длиной и шириной затвора, равными соответственно L_C=100 мкм, W_C=100 мкм;

(б) - тестового фоторезистора с длиной и шириной, равными соответственно L_R=500 мкм, W_R=400 мкм.

На фиг.2 приведена схема для кулонометрического измерения ЭФП тестовых конденсаторов структуры МДП:

- генератор прямоугольных импульсов напряжения;

ρ - согласующее волновое сопротивление;

МДП - тестовая структура конденсатора МДП;

R_H - измерительный резистор;

R_f - сопротивление фоторезистора;

u_SUB - напряжение источника смещения фоторезистора;

С_ВХ - входная емкость регистратора;

TDS - осциллографический регистратор релаксационного процесса.

На фиг.3 приведен процесс формирования неравновесной обедненной области в конденсаторе МДП по мере увеличения амплитуды импульса возбуждения с τ_p<100 мкс (а) и стационарное состояние, формируемое импульсом с τ_p~10 мс (б).

На фиг.4 показаны зависимости:

(а) - выделенные участки Ф1 - (А_Ф1, t_Ф1), Ф2 - (А_Ф2, t_Ф2), Ф3 - (А_Ф3, t_Ф3), Ф4 - (А_Ф4, t_Ф4) фазы релаксации тестового конденсатора МДП от действия переднего фронта зондирующего импульса и участки С1 - (A_C1, t_C1) или Ф5, С2 - (А_С2, t_C2) или Ф6 фазы релаксации тестового конденсатора МДП от заднего фронта зондирующего импульса;

(б) - зондирующий прямоугольный импульс генератора при дифференциальной схеме включения тестовой структуры.

На фиг.5 представлена зависимость низкочастотной (f=100 Гц), высокочастотной (f=1 МГц) и неравновесной () емкости конденсатора МДП от напряжения смещения.

На фиг.6 приведены кривые релаксации конденсатора структуры МДП:

(a) - при возбуждении прямоугольными импульсами напряжения U_P=(1, 2, 4, 6, 8, 10) В и длительностью зондирующего импульса τ_P=100 мкс;

(b) - зависимость величины заряда, прошедшего через сопротивление измерительного резистора R_H=75 кОм.

На фиг.7. представлены профили распределения концентрации и подвижности дырок, определенные из результатов CVG-измерений конденсатора МДП тестовой структуры ТКПЛ-02-10-82 с характеристиками:

R^±(Dark)=45,07/45,06 kΩ p_s=1,5·10¹² см^-2, p_v=5·10¹⁶ см^-2 R^±(Light)=44,65/44,6 kΩ µ_D=118 см²/В·с R^±(Diode)=42,1/42,06 kΩ r=918 MΩ

Dark - в отсутствие освещения;

Light - при освещении источником дневного света с мощностью 100 В;

Diode - при освещении светодиодным источником голубого спектра с мощностью 10 Вт.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Вначале формируют на гетероструктуре КНД тестовый кристалл с конденсатором МДП и фоторезистором (фиг.1) с топологическими размерами L_C, W_C и L_R, W_R, соответствующими базовой технологии создания наноструктуры транзистора n-МОП в транзисторной паре технологии КМОП/КНД.

Затем на затвор структуры подают импульс напряжения U_P прямоугольной формы положительной полярности длительностью зондирующего импульса τ и амплитудой и контролируют ток, протекающий через сопротивление измерительного резистора R_H (фиг.2). Измерительный резистор включают последовательно между источником импульсного напряжения U_P и затвором транзистора, включенного в режиме конденсатора МДП (фиг.3), величину сопротивления измерительного резистора R_H ограничивают значением до 100 кОм, длительность зондирующего импульса ограничивают величиной до 10 мс, амплитуду импульса генератора выбирают из условий формирования на зависимости падения напряжения U_R на измерительном резисторе во времени пяти характерных участков с амплитудой A_i и временем завершения формирования t_i, включающих участок Ф1 интегрирования переднего фронта импульса, участок Ф2 отсечки буферного слоя или формирования нелинейного конденсатора (варикапа), участок Ф3 формирования инверсного слоя, участок Ф4 формирования резистивных утечек подзатворного диэлектрика, участок С1 фазы релаксации тестового конденсатора МДП от заднего фронта зондирующего импульса, формируемый выходными характеристиками генератора импульсов, участок С2, формируемый величиной сопротивления измерительного резистора R_H (фиг.4), измеряют при фиксированной амплитуде зондирующего импульса напряжения U_P величину падения напряжения U_R на измерительном резисторе, концентрацию носителей заряда в буферном слое определяют из соотношения (1), а поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда определяют из соотношений (2), где S=L_CW_C - площадь конденсатора МДП в режиме обеднения (фиг.5); L_C и W_C - его длина и ширина; d_Si - толщина приборного слоя кремния, измеряют величину сопротивления R_PhR фоторезистора из состава тестового кристалла, а величину эффективной подвижности носителей заряда определяют из соотношения (3), где L_R и W_R - длина и ширина фоторезистора.

На участке Ф3 формирования инверсного слоя при фиксированном напряжении генератора импульсов U_P определяют величину электрического заряда в конденсаторе МДП с использованием соотношения (4), а суммарную концентрацию дырок в инверсном слое и слое объемного заряда определяют с использованием соотношения (5), где L_C и W_C - длина и ширина конденсатора МДП.

На участке Ф4 после завершения релаксационных процессов на участках Ф1, Ф2 и Ф3 измеряют амплитуду падения напряжения U_R на сопротивлении измерительного резистора R_H, сопротивление вертикальной утечки r определяют из соотношения (6), а критерием качества конденсатора МДП выбирают эффективную концентрацию носителей при напряжении импульса генератора U_P=5 В в соотношении (7).

Для оценки максимальной напряженности электрического поля в конденсаторе МДП величину амплитуды тестового импульса устанавливают на уровне ~5 В и, используя предварительно полученные данные о толщине приборного слоя d_Si, толщине оксидного слоя d_OX, величину максимальной напряженности электрического поля определяют из соотношения (8).

Для измерения профиля распределения концентрации носителей заряда устанавливают длительность зондирующего импульса величиной 100 мкс, амплитуду его U_P варьируют дискретно с шагом ΔU_P=1 В в диапазоне от 1 до 10 В, вплоть до насыщения контролируемого сигнала U_R на участке Ф2, а величину соответствующего U_P заряда буферного слоя определяют интегрированием в интервале времени (0, t_Ф3) контролируемого сигнала U_P(t) с использованием соотношения (9), где сброшенный заряд утечки ΔQ_B определяется из соотношения (10), поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда p_V определяют из соотношений (2), при построении профилей распределения концентрации примесей p_S(z) и p_V(z) в качестве координаты z используют значения из (11), где d_Si - толщина слоя кремния, U_P(10)=10 В, а U_P(n)=1, 2, …, 10 В.

В заявленном способе: во-первых, все измерения проводятся в течение времени одного тестирующего импульса длительностью не более 10 мс; во-вторых, измеряются практически все ЭФП, представляющие интерес для анализа последствий радиационного воздействия на транзисторную структуру n-МОП; в-третьих, становится возможным по результатам прямого эксперимента получить профиль распределения носителей заряда по толщине буферного слоя и, таким образом, контролировать эффективность выбора технологических решений на этапе ионно-лучевого легирования; в-четвертых, автоматизировать процесс вычисления количественных значений ЭФП с использованием прикладного программного обеспечения; в-пятых, прямые экспериментальные данные, полученные при реализации предлагаемого способа, позволяют утверждать о его практических возможностях.

Пример реализации предлагаемого способа для тестовой структуры, включающей конденсатор МДП длиной L_C=100 мкм, шириной W_C=100 мкм и фоторезистор длиной L_R=500 мкм, шириной W_R=400 мкм, приведен в табл.1. По результатам измерений 12-и тестовых структур с конденсаторами МДП (фиг.1) и фоторезисторами получены сравнительные данные о концентрации и подвижности дырок в структурах МДП/КНС p-Si типа проводимости партий ТКПЛ и структур МДП/КНИ партий ТКСТ с использованием метода Холла (p_H, µ_H), метода CVG (p_CVG, µ_CVG) и предлагаемого релаксационного способа (p_Rel, µ_Rel), которые приведены в табл.1.

При измерении ЭФП предлагаемым релаксационным способом на измерительную схему (фиг.2) подавался импульс напряжения прямоугольной формы с амплитудой U_P от 1 до 10 В и на измерительном резисторе с сопротивлением R_H=75 кОм регистрировался импульс напряжения U_R на участках Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, C1, C2 (пример данных для образца ТКП-02-05-41 в табл.2)

После полного обеднения (режим отсечки) буферного слоя (фиг.3,а) под действием внутреннего поля в конденсаторе МДП формируется инверсный слой заряда (участок сигнала Ф3). В результате накопления неосновных носителей заряда (электронов) в подзатворной области ток неосновных носителей заряда слабо зависит от величины встроенного поля, поэтому амплитуда падения напряжения U_R на сопротивлении измерительного резистора остается постоянной до полного формирования инверсного слоя. Длительность этапа накопления электронов в инверсном слое равна t_Ф3, что определяется величиной сосредоточенного в нем заряда.

Для определения величины электрического заряда в конденсаторе МДП при заданной амплитуде импульса напряжения U_P интегрируют с использованием соотношения (1) по времени в интервале от 0 до t₃ ток, протекающий через сопротивление измерительного резистора. Согласно фиг.7 величина Q_МДП для конденсатора МДП, сформированного на МДП/КНС p-Si типа проводимости тестовой структуры ТКПЛ-01--01-07-25 при U_P=10 В, равна 3·10^-10 Кл. Величина заряда в инверсном слое согласно результатам CVG-измерений равна

Q_МДП(U_P)=C_ox·U_P=35·10^-12·10=3,5·10^-10 Кл,

что находится в хорошем согласии с результатом, полученным с использованием соотношения (1).

Таблица 2 Характеристики сигнала релаксации для тестового МДП-конденсатора, сформированного на p-Si структуры КНС ТКПЛ-02-05-41   U_p=1 В, τ_р=100 µs, R_н=5 кОм U_p=10 B, τ_p=6·мс, R_н=75 кОм Область А τ A τ Ф1 81 mV 1 µs 160 mV 2 µs Ф2 76 mV 10 µs 155 mV 10 µs Ф3 5 mV - 5 mV ~5,4 ms Ф4 - - 0,7 мВ - С1 110 mV 1 µs 1,7 В ~2 µs С2 110 mV 10 µs 1,7 В 10 µs

Оценка величин p_s, p_ν и µ для конденсатора МДП, сформированного в р-слое МДП/КНС тестовой структуры ТКПЛ-02-10-82, имеющей толщину d_Si=0,3 мкм, согласно фиг.6 равна Q_B=7,2·10^-11 Кл.

Таблица 1 Результаты сравнительных измерений концентрации и подвижности дырок в МДП-конденсаторах с Si р-типа проводимости в структурах КНС партии ТКПЛ и в структурах КНИ партии ТКСТ с использованием метода Холла (p_H, µ_H), метода CVG (p_CVG, µ_CVG) и заявляемого релаксационного способа (p_eff, µ_Rel) № Образец Е, кэВ D (2), мкКл N_B, см^-3 K_act J_cc, мкА p_H, см^-3 µ_H,
см²/В·с p_CVG, см^-3 µ_CVG, см²/В·с P_eff, см^-3 µ_Rel,
см²/В·с R_PhR, kΩ r, MΩ р_МДП, см^-3 1 02-05-41 120 0,40 1,16·10¹⁷ 0,13 9605 ~1,2·10¹⁶ ~110 ~3·10¹⁶ ~55 1,52·10¹⁶ 40,3 424,9 643 2,8·10¹² 2 02-10-82 60 0,40 1,16·10¹⁷ 0,43 51 ~7,5·10¹⁶ ~82 ~1·10¹⁷ ~140 5·10¹⁶ 118 45,07 918 2,4·10¹² 3 01-07-199 80 0,45 1,25·10¹⁷ 0,15 280 - - ~6·10¹⁶ ~150 1,9·10¹⁶ 79 170 54,2 - 4 01-11-23 80 0,75 1,88·10¹⁷ 0,69 25 2,0·10¹⁷ 58 ~1·10¹⁷ ~160 1,3·10¹⁷ 70,1 32,95 43 - 5 01-07-25 80 0,45 1,25·10¹⁷ 0,53 60 6,12·10¹⁶ 110 ~8·10¹⁶ ~160 6,6·10¹⁶ 73 54,2 517 2,4·10¹² 6 01-05-77 80 0,30 9,38·10¹⁶ 0,25 50 - - ~5·10¹⁶ ~130 2,31·10¹⁶ 101 112 694 2,59·10¹² 7 01-03-18 80 0,15 6,25·10¹⁶ 0,22 70 - - 1,5·10¹⁷ 15,2 1,39·10¹⁶ 14,5 1290 820 8,5·10¹² 8 01-10-201 80 0,60 1,56·10¹⁷ 0,16 320 2,69·10¹⁶ 41 4,4·10¹⁶ 84 2,49·10¹⁶ 42 250 882 2,87·10¹² 9 01-11-197 80 0,75 1,88·10¹⁷ 0,40 150 7,3·10¹⁶ 70 ~1·10¹⁷ ~150 7,55·10¹⁶ 68 50,4 32 1,7·10¹³ 10 01-03-47 80 0,15 6,25·10¹⁶ 0,16 60 - - - - 1,02·10¹⁶ 66 388 840 4,98·10¹² 11 01-05-26 80 0,30 9,38·10¹⁶ 0,19 60 - - - - 1,78·10¹⁶ 68,5 213 794 2,96·10¹² 12 01-10-126 80 0,60 1,56·10¹⁷ 0,22 145 6,53·10¹⁶ 50 - - 3,48·10¹⁶ 71,9 104 835 2,98·10¹² 13 03-03-73 - - - - - -5,4·10¹⁶ -207 7,1·10¹⁶ 136 4,38·10¹⁶ 241 24,65 255 1,61·10¹² 14 03-03-211 - - - - - -5,4·10¹⁶ -207 5,3·10¹⁶ 422 3,39·10¹⁶ 312 22,7 440 2,60·10¹² 15 03-06-176 - - - - - -5,0·10¹⁶ -204 5,1·10¹⁶ 435 3,65·10¹⁶ 289 22,2 820 3,23·10¹² Обозначения D(1)=0,15 мкКл - первая доза имплантации. N_B - концентрация атомов бора в структуре. Степень активации бора: D(2) - вторая доза имплантации. R_PhR [кОм] - сопротивление тестового фоторезистора. E [кэВ] - энергия второй имплантации. r [кОм] - сопротивление утечки конденсатора МДП. J_cc - ток потребления микросхемы-спутника. d_Si=0,3·10^-4 см - толщина слоя кремния. p_МДП [см^-3] - полная концентрация носителей тока в конденсаторе МДП при U_p=5 В.

Отсюда с учетом размеров конденсатора (L×W)=(100×300) мкм² получают величину поверхностной и объемной концентрации дырок в слое:

При сопротивлении фоторезистора величиной 44,07 МОм и размерах фоторезистора (L_R×W_R)=(500×400) мкм² величина эффективной подвижности дырок µ_Rel в р-Si:

При наличии резистивных утечек подзатворного диэлектрика на кривой релаксации сигнала появляется участок Ф4 (фиг.4), на котором величина U_R не зависит от времени. Этот участок регистрируется только при возбуждении конденсатора МДП длинными импульсами после завершения процессов на участках релаксации Ф1, Ф2 и Ф3.

Оценка величины утечки в тестовой структуре ТКПЛ-01-07-199 при напряжении импульса возбуждения 6 В:

Эффективную концентрацию носителей определяют в виде:

.

Для оценки максимальной напряженности электрического поля, которое можно создать при подаче импульсов, состояние полной отсечки реализуют при амплитуде прямоугольного импульса, равной U_p0~6 В, для структуры МДП/КНС с d_ox=315 Å; d_Si=0,3 мкм; ε(SiO₂)=3,9; ε(SiO₂)=11,7:

Из анализа полученных результатов следует:

а) приведенные в табл.1 сравнительные результаты измерения концентрации и подвижности дырок в слоях p-типа проводимости структур МДП/КНС тестовых структур партии ТКПЛ с использованием релаксационных измерений демонстрируют тот факт, что результаты, полученные релаксационным кулонометрическим методом, коррелируют с данными, полученными из измерений эффекта Холла и CVG методом;

б) эффективная концентрация носителей учитывает как качество буферного слоя, так и качество подзатворнорго диэлектрика и может служить критерием качества структуры МДП как целого;

в) из измерений максимального значения напряженности электрического поля следует, что в конденсаторе МДП, сформированном на структуре КНС, при подаче на него прямоугольных импульсов напряжения можно создавать большую величину напряженности электрического поля. Этот эффект целесообразно использовать для полевой перезарядки глубоких уровней дефектов на нижней гетерогранице, а также для изучения модификации характеристик приборных наноструктур при радиационных испытаниях в сильном поле.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достаточно просто и точно определить основные электрофизические параметры полупроводниковых наноразмерных гетероструктур, определить при проведении радиационного эксперимента по воздействию импульсного ионизирующего излучения в реальном масштабе времени поглощенную дозу и оценить динамику восстановления равновесных свойств гетероструктур.

Литература

1. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М., 1987.

2. Zaininger K.Н., Heiman E.P. - The Techique as an Analytical Tool. - Solid-State Technology, 1073 / - Vol.13. - N.6. - P.47-55.

3. Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в МДП-структурах. - Патент на изобретение RU 2133999 С1 с приорит. от 07.08.1997.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат изобретения - импульсное кулонометрическое измерение электрофизических параметров по результатам анализа переходных процессов при воздействии на тестовый МДП-конденсатор прямоугольного импульса напряжения при длительности цикла измерения менее 1 мс. Сущность изобретения: в способе измерения электрофизических параметров наноструктур транзистора n-МОП в технологиях КМОП/КНС и КМОП/КНИ путем подачи на затвор импульса напряжения прямоугольной формы положительной полярности длительностью зондирующего импульса τ, величиной импульса напряжения U_P и контроля тока, протекающего через измерительный резистор R_H, включенный последовательно между источником импульсного напряжения и затвором транзистора, включенного в режиме конденсатора структуры МДП, в состав тестового кристалла включают конденсатор МОП и фоторезистор с заданными конструктивами, величину сопротивления измерительного резистора R_H ограничивают значением 75 кОм, длительность импульса напряжения ограничивают величиной от 6 до 10 мс, амплитуду импульса генератора выбирают из условий формирования на зависимости падения напряжения U_R на измерительном резисторе во времени пяти характерных участков с амплитудой A_i и временем завершения формирования t_i, а концентрацию носителей заряда в буферном слое, поверхностную концентрацию p_S носителей заряда, объемную концентрацию носителей заряда и величину эффективной подвижности носителей заряда определяют из представленных соотношений. 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

1. Способ кулонометрического измерения электрофизических параметров наноструктур транзистора n-МОП в технологиях КМОП/КНС и КМОП/КНИ путем подачи на затвор импульса напряжения прямоугольной формы положительной полярности длительностью зондирующего импульса τ, величиной импульса напряжения U_P и контроля тока, протекающего через измерительный резистор R_н, включенный последовательно между источником импульсного напряжения и затвором транзистора, включенного в режиме конденсатора структуры МДП, отличающийся тем, что на тестовом кристалле, сформированном по единой базовой технологии, что и для основной БИС, в его состав включают конденсатор МОП и фоторезистор с заданными конструктивами, величину сопротивления измерительного резистора R_H ограничивают значением 75 кОм, длительность импульса напряжения ограничивают величиной от 6 до 10 мс, амплитуду импульса генератора выбирают из условий формирования на зависимости падения напряжения U_R на измерительном резисторе во времени пяти характерных участков с амплитудой A_i и временем завершения формирования t_i, включающих участок Ф1 затягивания переднего фронта импульса, участок Ф2 отсечки буферного слоя или формирования нелинейного конденсатора, участок Ф3 формирования инверсного слоя, участок Ф4 формирования резистивных утечек подзатворного диэлектрика, участок С1, формируемый выходными характеристиками генератора импульсов, участок С2, формируемый величиной сопротивления измерительного резистора R_H, измеряют при фиксированной амплитуде импульса напряжения U_P величину падения напряжения U_R на измерительном резисторе, концентрацию носителей заряда в буферном слое определяют из соотношения

где поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда определяют из соотношений

где е - заряд электрона; S=L_CW_C - площадь конденсатора МДП; L_C и W_C - его длина и ширина; d_Si - толщина приборного слоя кремния, измеряют величину сопротивления R_PhR фоторезистора из состава тестового кристалла, а величину эффективной подвижности носителей заряда определяют из соотношения

где L_R и W_R - длина и ширина фоторезистора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на участке Ф3 формирования инверсного слоя при фиксированном импульсе напряжения U_P определяют величину электрического заряда в конденсаторе МДП с использованием соотношения

а суммарную концентрацию дырок в инверсном слое и слое объемного заряда определяют с использованием соотношения

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на участке Ф4 после завершения релаксационных процессов на участках Ф1, Ф2 и Ф3 измеряют амплитуду падения напряжения U_R на сопротивлении измерительного резистора R_H на этом участке, а сопротивление вертикальной утечки подзатворного диэлектрика определяют из соотношения

а в качестве критерия качества конденсатора МДП выбирают эффективную концентрацию носителей при импульсном напряжении U_p=5 В p_eff(5)=p_Sp_МДП(5).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для оценки максимальной напряженности электрического поля в конденсаторе МДП величину амплитуды тестового импульса устанавливают на уровне ~5 В и, используя предварительно полученные данные о толщине приборного слоя d_Si, толщине оксидного слоя d_OX, величину максимальной напряженности электрического поля определяют из соотношения

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения профиля распределения концентрации носителей заряда устанавливают длительность зондирующего импульса величиной 100 мкс, а его импульс напряжения U_P варьируют дискретно с шагом ΔU_P=1 В в диапазоне от 1 В до 10 В, вплоть до насыщения контролируемого сигнала U_R на участке Ф2, а величину соответствующего импульса напряжения U_P заряда буферного слоя определяют интегрированием в интервале времени (0, t_ф3) контролируемого сигнала U_P(t) с использованием соотношения

где сброшенный заряд утечки ΔQ_B определяется из соотношения

поверхностную концентрацию p_S носителей заряда и объемную концентрацию носителей заряда p_V определяют из соотношений

d_Si - толщина приборного слоя кремния, при построении профилей распределения концентрации примесей p_S(z) и p_V(z) в качестве координаты z используют значения

где d_Si - толщина слоя кремния, U_P(10)=10 В, a U_P(n)=1, 2,…, 10 В.