Способ определения параметров пограничных состояний в МДП-транзисторах Советский патент 1984 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения электрон ных характеристик границы раздела полупроводник - диэлектрик непосредственно в МДП-транзисторах, в том числе входящих в состав интегральных схем. Известен способ определения параметров пограничных состояний (ПС) гр ницы раздела полупроводник-диэлектри основанньй на измерении при комнатны температурах вольт-фарадных характеристик МДП-конденсаторов и определеНИИ искомых параметров расчетным путем Г. Недостатками этого способа являют ся малое энергетическое разрешение (№) и низкая чувствительность при определении параметров мелких ПС, т.е. ПС, расположенных на энергетическом расстоянии порядка или меньше 0,1 эВ от края зоны проводимости или валентной зоны. Наиболее близким к изобретению по Технической сущности является спо соб определения параметров мелких ПС в МДП-транзисторах 2J, Согласно этому способу в ВДП-тран зисторе выполняют следующие операции Охлаждают образец, измеряют зависимос.ть тока стока от напряжения сме щения при фиксированном напряжении исток-сток.Строят теоретическую зависимостьd()(); где N(U) поверхностная концентрация носителей в канале; отношение ширины канала к его длине; /U, - подвижность; « - заряд электрона. Для ЭТОГО)решая уравнение Пуассона, находят зависимости N (Ч) иНо-СЧ), пренебрегая влиянием ПС, где поверхностный потенциал, отсчитанньй от края зоны (неосновных носителей); используя Ч5 как параметр, строят зависимость N (Up.) ; при некотором значении . - напряжение порога опре . деляют подвижность/U. по формуле: учитывая изменение /U, с - , восстанавливают зависимость (о-} и по формуле (1) строят J (и). Из сравнения:j(Uo-) и ) опре:яют Ncc(E) по формуле: деляют N55 , ,,. 1 (l -(J з) dv гделУл.- разность напряжений смещения на теоретической и экспериментальных кривых, отвечающих условию равенства токов J J d Однако данный способ применим в области относительно высоких температур, т.е. имеет низкое энергетическое разрешение, что вытекает из следующего. Формула (2) получена в предположении, что изменение заряда на ПС много меньше изменения заряда в зоне неосновных носителей при изменении Urt, что верно лишь при высоких температурах и/или малых Ngg(E). В противном случае /а определяется вьфажением: dJ, / ..Л N.. /P-V c; 1 PV-KT /) де No g(NcKT)( ентрация носителей в канале при усовии касания уровня Ферми и границы зоны неосновных носителей на поверхости: (Чс, + F 0. Использование формулы (2) при боее низких температурах приводит к рогрессивно возрастающим ошибкам в определении Нетрудно виеть, что J.NSS-N S ИСТ риТсПОО К и 2см2/эВ. Таким образом, недостатком этого пособа также является низкая чувстительность при определении спектра мелких ПС, а именно низкое энерге- . ическое разрешение сГЕ и большая огрешность при определении плотност и мелких ПС, (Е). Цель изобретения - увеличение увствительности способа. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров пограничных состояний в МДП транзисторах, включающему охлаждение транзистора, измерение зависимости тока стока транзистора от напряжения смещения при фиксированном значении напряжения исток-сток и определение спектра пограничных состояний расчет ным путем, транзистор охлаждают до температуры , одновременно с измерением зависимости тока стока от напряжения смещения измеряют зависимость скорости возрастания тока стока от этого напряжения, сопоставляют значения тока стока и скорости его возрастания при одинаковых напря жениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство: l() Ч) d() dU а и,с 1 . -d- I - . где К - постоянная Больцмана; Ь/о - отношение ширины канала МДПтранзистора к его длине; С - удельная емкость диэлектрика g - диэлектрическая проницаемост полупроводника; NQ - соответственно эффективная плотность состояний в разрешенной зоне и концентрация основной легирующей примеси; ЕО- ширина запрещенной зоны; Лр| - ток стока транзистора; напряжение смещения; и - напряжение исток-сток; сГЕ- требуемое энергетическое . разрешение. На фиг.1 представлены зависимости тока стока транзистора и скорости нарастания этого тока от напряжения смещения, а также теоретическая зави симость тока стока от этого напряжения (кривые 1, 2 и 3 соответственно) для транзистора КП 301Б; на фиг.2 спектр пограничных состояний для транзистора КП 301Б. Предлагаемый способ основан на следуюш11х теоретических соображениях Из анализа формулы (4) следует, что она переходит в формулу (2) когд NgeCE) много меньше заряда свободных носителей, что выполняется либо при больших т, либо когда F+CI ,0(6) Решая уравнение Пуассона для МДПтранзистора, можно показать, что при выполнении равенства (6) поверхностная концентрация в канале транзистора составляет Ы ( ( Для нахождения на зависимости d Р: точки, в которой можно воспользоваться формулой (2), необходимо решить уравнение (7), что можно сделать например, графически. Для этого, постепенно увеличивая lUp-l , одновременно с зависимостью J(иQ.) строят F((Jo-) по формуле (7) и продолжают эту процедуру вплоть до точки их пересечения при некотором в которой и определяют ju. по формуле (2). Поэтому в предлагаемом способе по сравнению с прототипом проводят следующие дополнительные операции. Охлаждение образца до температуры T cfE/4K, обеспечивающей требуемое энергетическое разрешение сГЕ. Измерение производной dD Сг ОК повременно с зависимостью J, (UL) . Определение значения U из реше ния уравнения (7), например, графически путем построения на одном графике в координатах Jjj-Up-зависимостей Зд (UQ) и F (CL) и определение точки их пересечения приио- ио, в окрестности которой и определяют подвижность по формуле (2). Энергетическое разрешение предложенного способа определяется минимально возможной температурой измерений Ti, которую можно оценить, например, из условия равенства tipoводимостей прыжковой и по зоне неоснодных носителей: ((, I где прыжковая подвижность; ДЕ - интервал мелких ПС. ДпядЕс:0,1 эВ и типичных значений .С., Nss-IO cM-2/эВ. получаем T),2:4K, которому отвечает 2r1,3 мэВ, что не менее, чем в 75 раз лучше, чем в прототипе. Уравнение (7) может иметь более одного решения. Равенству (6) удовлетворяет только наибольшее по модулю значение. Пример. Измерения , (Уф) про водились на промьштенном полевом тра зисторе (КП 301 Б) MB и Т 20 К. На фиг. 1 показаны зависимости 3 (Ug.) , F (0) и рассчитанная по описанной методике зависимость 3o(j) (кривые 1,2 и 3 соответственно). На фиг.2 приведен спектр ПСМ55(Е), рассчитанный из сравнения графиков 1 и 3 на фиг.1. Наличие хвоста отрицательной щют ности состояний при ,6 мэВ являе ся следствием скачкообразного измене ния /а при изменении зарядного состоя ния ПС по прохождении его уровнем Ферми. Существование данного скачка не может быть учтено ни в рамках предложенного способа, ни в рамках прототипа. Последнее определяет погрешность определения Ngg(E) йри исId lO A3 пользовании стандартного предполо ения о зависимости /i f (Ул.): ,лм V --KsKsK «°/. I - где N;5s и N§5 соответственно значение положительной и отрицательной плотностей ПС в максимумах. Погрешность прототипа при определении Млс при тех же условиях составляет более 50%, что означает отличие измеренной N55 от истинной более, чем в два раза. Предложенный способ позволяет повысить достоверность результатов за счет отказа от тест-структур, повысить точность измерений (в 5 раз) и расширить объем ползгчаемой информации (определение спектра ПС с энергетическим разрешением в 75 раз лучше по сравнению с прототипом). Использование предложенного способа позволяет детально анализировать качество технологии и исходных материалов при изготовлении ЩП-транзисторов и приборов на их основе (БИС), что повышает процент выхода годных.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ В ЬадП-ТРАНЗИСТОРАХ, включающий охлаждение транзистора, измерение зависимости тока стока транзистора от напряжения смещения при фиксированном значении напряжения исток-сток и определение спектра пограничных состояний расчетным путем, отличающийс я тем, что, с целью увеличения чувствительности способа, транзистор охлаждают до температурыТ сГЕ/4К, одновременно с измерением зависимости тока стока от напряжения смещения из-, меряют зависш ость скорости возрасIтания тока стока от этого напряжения, сопоставляют значения тока стока и скорости его возрастания при одинаковых напряжениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство: .) ь 1 II («) J « и где К постоянная Больцмана; Ъ/с( отношение ширины канала ЩЩтранзистора к его длине; 8 С 6 удельная емкость диэлектрика; диэлектрическая проницаемость полупроводника; Ми N - соответственно эффективная плотность состояний в разреg шенной зоне и концентрация основной легирующей примеси; нширина.запрещенной зоны; сГ стока транзистора; и - напряжение смещения; СО СП и, - напряжение исток-сток; сГЕ - требуемое энергетическое разрешение.

WwffM

15 VoVg(B)

Ili (pui,f

дао

1 i ,,

(put. 2