Способ определения квантомеханического фактора вырождения глубоких центров в полупроводнике Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения параметро глубоких центров в полупроводнике, а именно квантомеханического фактора вьфождения глубоких центров. Зарядовое состояние глубоких цент ров существенным образом влияет на роль глубоких центров в процессах ге нерации и рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниках. Это -г определяет рабочие характеристики це лого ряда приборов класса ПЗС, фотоприемников и т.д. При наличии кван томеханического вырождения зарядовое состояние глубокого центра зависит не только от положения уровня Ферми относительно уровня глубокого центра но и от значения квантомеханического фактора вырождения глубокого центра При этом влияние вырождения может быть существенным. Известен способ измерения параметров глубоких центров в полупроводниках, основанный на измерении времени релаксации от амплитуды импульсов напряжения flj. Недостатком этого способа является его непригодность для определения квантомеханического фактора вырождения глубоких центров в полупроводниках. ; Наиболее близким является способ определения КБантомеханического фак тора вырождения глубоких центров в полупроводнике, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольт фарадных характеристик. Способ реал зуЕот следующим образом. Используют монокристаллический полупроводник в котором конЦе«трация глубоких уровней много больще концентрации мелкой легирующей примеси. В диапазоне температур 100-500 К измеряют температурные зависимости холловского напряжения и проводимости исследуемого полупроводника, по Которым определяют эффективную концентрацию глубоких центров в объеме полупроводника. Помещают полупроводник, в электролит и измеряют вольтфарадную характеристику грани цы раздела полупроводник-электролит по которой рассчитывают концентраци глубоких центров вблизи границы раз дела полупроводник-электролит. Пред полагая , что истинная концентрация глубоких центров в объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-электролит одинакова, по отношению эффективной концентрации к концентрации на границе находят квантомеханический фактор вырождения глубоких центров. Недостатками способа является его низкая точность и ограниченный класс полупроводниковых материалов,которые могут быть-исследованы данным способом. Низкая точность обусловлена следующими факторами: концентрации, глубоких центров в объеме полупроводника и вблизи границы раздела полупроводник-эл ектролит могут отличаться в 2-3 раза, в частности из-за сегрегации;,точность определения концентрации глубоких центров на границе раздела полупроводник-электролит существенным образом зависит от состояния поверхности полупроводника и концентрации поверхностных состояний,- которая плохо контролируется. Ограничение класса-исследуемых материалов обусловлено тем, что при измерениях вольтфарадной характеристики необходимо отсутствие утечек тока через границу раздела полупроводник-электролит, что обеспечивает только при исследовании широко.зонных полупроводниковых материалов, таких как ZnO, ZnS, ZnSe, а в случае таких широко распростра- . ненных материалов, как кремний и германий, .практически недостижимо. Целью изобретения является повышение точности и расширение класса исследуемых материалов. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения квантомеханического фактора вырождения глубоких центро.в в полупроводнике, преимущественно с.одержащем мелкую легирующую примесь, основанном на измерении вольтфарадных характеристик, на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводник-диэлектрик, и в пограничном слое полупро-, водника создают глубокие центры с концентрацией 5 -. 5- глубины , Р , выбранной из условия )4VN 47ГС1,2 N где Т и Т2 - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограничен ном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводник меньше 0,01 N, и темпе ратурой вымораживания мелкой примеси )з полупроводнике, причем Т -7 Т 1 --2 С - диэлектрическая проницаемость полупроводника;| - постоянная Больцмана; Е - энергия глубокого цент ра Б полупроводнике, о считанная от дна зоны основных носителей; Ер - энергия Ферми в объеме полупроводника, отсчитанная от дна зоны основных носителей; - заряд электрона; N - концентрация легирующе примеси. Вольтфарадные характеристики изме ряют при температурах Т и 1 . определяют энергетические спектры пограничных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размытия, функции Ферми и по взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров . Способ осуществляют следующим образом. На поверхности исследуемого полупроводника, содержащего мелкую легирующую примесь, формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика, т.е. слой с толщиной, превьш1ающей 100 А. При формировании этого слоя создают условия, обеспечивающие полу чение пассивированной границы раздел полупроводник-диэлектрик, в случае использования в качестве исследуемог полупроводника кремния слой диэлектрика формируют окислением поверхнос ти кремния в сухом кислороде с после дующим отжигом в азоте, что дает пло ность поверхностных состояний на гра нице полупроводник-диэлектрик в сере Дине запрещенной зоны меньше Юсмэ В пограничном слое полупроводника создают глубокие центрфт с концентра1664 цией 5-10 5 -10- квантомеханический фактор вырождения которок необходимо определить. Глубокие центры могут создаваться имплантацией примеси, которая дает в запрещенной зоне полупроводника глубокие центры, воздействием на полупроводник радиационных излучений, введением краевых дислокаций и т.д. При заданных пределах концентрации глубоких центров ( 5 ) плотность пограничных состояний, обусловленная глубокими центрами, лежит в пределах 5 10- 5 -10- см эВ-.. При этом точность определения энергетического спектра пограничных состояний, обусловленная этими центрами, лучше 0,5%. При концентрации глубоких центров больше верхнего предела невозмол{ио определять энергетический спектр пограничных состояний, так как при таких больших концентрациях для определения энергетического спектра к полупроводнику требуется прикладывать большие электрические поля, которые пробивают диэлектрик. Нижний предел по концентрации обусловлен необходимой относительной , точностью определения энергетического спектра пограничных состояний, требуемой при учете температурного размытия функции Ферми. Глубокие центры в пограничном слое полупроводника создают до глубины Р , величину которой определяют из соотношения (1). В этом соотношении значения , k , Ер и N известны, величину Е энергии глубокого центра задают при создании глубоких центров в полупроводнике, температуры Т и Т, выбирают Б интервале, ограниченном температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике и температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N т.е. температурой, при которой можно пренебречь вкладом неосновных носителей в концвнтрацию носителей в : объеме полупроводника. Нижний предел по f определяется минимальным энергетическим размытием пика энергетического спектра пограничных состояний, обусловленным пространственным распределением глубоких центров, при котором энергетический спектр можно определять с точностью не хуже 5%, С выходом за этот предел растут

ошибки вычислений, которые не позволяют определить спектр с требуемой точностг ю. Верхний предел по соответствует той глубине, при превышении которой глубокие центры, созданные в пограничном слое полупроводника, не дают заметного вклада в энергетический спектр пограничных состояний.

В полученной таким образом структуре при температурах Т. и Т2 определяют энергетические спектры пограничных состояний. Для измерений может использоваться квазистатический метод, метод низкочастотных вольтЛарадных характеристик, метод проводимости и др. При обработке экспериментальных данных необходимо использовать методику расчета, которая позволяет учесть температурное размытие функции Ферми, что позволяет наблюдать проявление квантомеханического фактора вырождения глубоких центров по взаимному сдвигу энергетических спектров пограничных состояний, полученных при температурах Т и Tj .

По взаимному сдвигу л Е полученных энергетических спектров пограничных состояний по энергии, обусловленному различием температур Т и Т определяется фактор вырождения, который равен

ехр(лЕ/()).

При этом, чем больше разность Т Tj, тем вьше точность определения квантомеханического фактора, вырождения. Желательно, чтобы разность была не меньше 0,1 Т . В этом случае обеспечивается достаточная точность определения фактора вырождения при приемлемом времени математической обработки данных.

П р и м а р. Пластина кремния fi типа легирована фосфором до концентрации N 3-10 см. Границы выбор температур Т2 Т .

Выбираем, исходя из удобства,измерений, температуры Т 330 К, Т2 273 .К. Энергия глубокого центра ,46 эВ Ер 0,1 эВ-, ,S, «V 4,.заряда СГСЭ, 1с 1,38 П0-%рг/град.

Находим из условия диапазон по е f : 700 А 66 2200 А Выбираем 6 «700 А Окисляют пластину с использованием

стандартного режима производства интегральных МОП-схем. При этом образуется пассированная граница раздела полупроводник-диэлектрик.

Выбирают толщину слоя окисла о

1000Л. Через окисел методом имплантации в кремний имплант руют ионы кремния с энергией 120 кзВ дозой 10 см . На окисел наносят металлический электрод и структуру отжигают при температуре 300°С в течение 30 мин. Таким образом в приповерхностном слое кремния создается гауссообраз.ное распределение глубоких центров по координате с концентрацией 6-10 см, с центром распределения на расстоянии от диэлектрика 300 А и полушириной распределения 300 А. Методом низкочастотных вольтфарадных характеристик при температуре Т.. и Т находят с учетом температурного размытия функции Ферми энегетические спектры пограничных состояний границы раздела полупроводник-диэлёктрик и по взаимному температурному сдвигу этих спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров в энергией 0,46 эВ от дна зоны проводимости.

По предлагаемому способу точность определения фактора вырождения глубоких центров в объеме полупроводника увеличивается вследствие устранения влияния на результаты t измерений различия концентраций глубоких центров в обг-,еме полупроводник и в приповерхностной области, устранения влияния на результаты измерени поверхностных состояний утечек через границу раздела полупроводникдиэлектрик. Отсутствие утечек на границе раздела полупроводник-диэлектрик при осуществлении предлагаемого способа позволяет использовать его для определения фактора вырождения в любых материалах, в том числе германии и кремнии. Теоретическая оценка определения квантомеханического фактора вырождения показывает, что относительная точность определения . и при т.-т,

0,1 Т 0,4, где сЛ - ошибка определения . При увеличении разности () ошибка определения

710984668

{ может быть уменьшена до несколь- (,) может быть выбрана равной ких процентов. Так, в случае иссле- 250-300 К. В этом случае ошибка содования кремния разность температур ставит 4-5%.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАКТОРА ВЫРОЭДЕНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ, преимущественно содержащем мелкую легирующую примесь, основанный на измерении вольтфарадных характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширегшя класса исследуемых материалов, на поверхности полупроводника формируют слой туннельно непрозрачного диэлектрика с пассивированной границей раздела полупроводникдиэлектрик в пограничном слое полупроводника создают глубокие центры с концентрацией 5г10 до глубины , , выбранной из условия E(kT,) i ekT, е )4,N где Т и Т, - температуры в градусах Кельвина, выбранные в интервале, ограниченном температурой, при которой концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника меньше 0,01 N, и температурой вымораживания мелкой примеси в полупроводнике, причем Т 7 Т , - диэлектрическая проницаемость полупроводниi ка; К - постоянная БольцманаСЛ энергия глубокого центра в полупроводнике, отсчитанная от дна зоны основных носите лей; Ер- энергия Ферми в объеме полупроводника, отсчисо танная от дна зоны основных носителей; - заряд электрона; А/ - концентрация легируюо щей примеси, ; Од вольтфарадные характеристики измеряют при температурах Т и Т, , определяют энергетические спектры пограничных состояний на границе полупроводник-диэлектрик с учетом температурного размытия функции Ферми и по i, взаимному сдвигу полученных спектров определяют квантомеханический фактор вырождения глубоких центров.