Способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик Советский патент 1991 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может dbSTb использовано для определения функциональных xapaKTepHcTifK .границ g раздела полупррводник - диэлектрик, таких как энергетический спектр до граничных состояний (ПС) и -гемпера- турнал и энергетическая зависимости их сепеннй захвата. Ю

Целью изобретения является обесечение возможности измерения сече- Нйя захвата носителей.заряда на.по- верх1 остные состояния-и повышения точности определения плотности по- JS BepxHocTKbiJi состояний

На фиг. 1 представлена схема устройства .реализующего предпагаемый способI на фиг, 2 изображена зонная схема полупроводника у его границы 20 С диэлектршчом -.

Схема устройства включает блок 1 измерения монотонно изменяющейся составляющей полевого напряженияJ блок 2 измерения амплитуды осциллирующей 25 синхронно с температурой составляющей полевого напряжения блок 3 HaMe рення высокочастотной емкости цепи затвор - подложзса, блок 4.поддержа- - ния постоянной высокочастотной емкос-30 тн депн затвор - подложка блок 5 измеретшя вольт-амперной характерис- Т1ЖИ цепи исток - подложка, блок 6 измерения вольт-амперной характеристики цепи сток - подпожка, источник 7 35 тепла внешние датчики 8 теьшерйтуры, пунктирам изображена граница слоя пространственного заряда, металл .9 полевого электрода (затвор), диэлектрик 10, поль проводник П, подложку 40 t2j исток 13, сток 14, термостат 15, внешнюю батарею б, .задающую обога- ща5ош.ее н обедняющее полевое напряжение , ключ 1 7, переклнтчающий МДП-конденсатор в режим разрядки. 45

Пример. Способ реализуют на МДП конденсаторах типа А1 - SiOij - Sis осуществляя следующую совокупность операци

I. Устанавливают требуемое сред- нее значение температуры TO образца - МДП-конденсатора. Температуру TO выбирают исходя из требования kT|5«E, где k постоянная Больцмаиа; S энергия активации соответствую- щего уровня ПС, Нижний тфедел Т ограничивается возможностями измерения высокочастотной емкости цепи затвор подложкаj поскольку с понижением температуры сопротивление объема полупроводника резко возрастает. Дпя реальных структур Si - SiO этот преде составляет десятки градусов Кельвина Дискретность значений Т определяет энергетическое разрешение способа..

2, Модулируют температуру образца Т по периодическому во времени t за кону8 T To+4-f(t), где f(t) - периодическая функция с периодом 0 и ам0

плитуДой i3, причем Jf(t) t

о

., tp - характерное время про- ,хождения температурного фронта по области пространственного заряда у границы полупроводника с диэлектри- KOMJ 4 - амплитуда приращения тем- kT .пературы, 4 .

Модуляция температуры образца производится за счет дополнительного источника 7 тепла, который подает на. образец.периодически меняющийся со временем поток тепла. При этом температура становится неоднородной,она меняется по образцу с характерным

расстоянием 4Z /- (f-) , где gi - теп Ь-р

лопроводность; S - удельная теплоемкость; о- плотность полупроводника, Поскольку разряд- ПС рассматривается в условиях .однородной по слою объемного заряда (шириной W) теьтературы, то необходимо выполнить условие: W «

.«(|-) . Отсюда следует, что

-S/W „

Для широкого класса материЛ алов -f 1 и ,5jlO-4r) с.

Л-Измерение температуры в слое объемного заряда у границы полупроводника с диэлектриком можно, например, проводить по температурным зависимостям тока в цепи исток - подложка или сток - подпожка, т.к. по сопротивлению встроенные p -п-переходы (исток и сток) очень чувствительны к изменению температуры. Вначале, устанавливая с помощью термостата (источник 7 тепла отключен) однород- 1ую по образцу температуру, которую фиксирурт датчики 8, измеряют ток и напряжение в цепях исток - подложка и сток - подложка. Затем измеряют

3

to

15

ТОК в этих цепях при включенном источнике 7 тепла и с помощью ранее полученньос характеристик определяют температуру в слое объемного заряда, а также проверяют ее однородность вдоль границы раздела полупроводника с диэлектриком.

Зо Заряжают МЛЛ конденсатор обогащенным полевым напряжением до предельного заполнения ПС.

На фиг, 2 изображена зонная схема полупроводника у его границы с диэлектриком: Е. - дно зоны проводимости; - потолок валентной зоны. Сплошная линия отвечает обедняющему изгибу зон, а пунктирная - обогащающему (соответственно обедняющему и обогащающему полевым напряжениям). Наличие обогащающего изгиба зон можно фиксировать, например, по значению высокочастотной емкости цепи затвор подложка, а именно в этом случае она должна совпадать с геометрической etf костью диэлектрического промежутка,

4. Подают объединяющее полевое напряжение, создающее у границы полупроводника с диэлектриком обедняющий изгиб зон, при котором заполнение ПС стано вится сильно неравновесным, Обед-зо няющий изгиб зон ql/ , где q заряд

6..Регистрируют временные зависимости V(t) или I,(t)-монотонно изменяющихся составляющих сигналов релаксации напряжения на затворе V(t) или разрядного тока l(t) .соответственно,

7с. Регистрируют временные зависимости амплит-уд V2(t) или 12( Ь) синхронно осциллирзпощих с температурой составляющих сигналов релаксации пряжения на затворе У(1) или разрядного тока l(t) соответственно.

Измерение сигналов релаксации V(t) и l(t) проводится в диапазоне времен t, ограниченном условиями сниv

пде

зу t 7 б и сверху - t « время термической генерации носителей другого типа на границе раздела полупроводник - диэлектрик. В случае

ехр(|) в

объемной генерации i и) случае генерации через ПС

W ехр

I

L kT .

где

U), и

и)2- соот25

ветствующие этим случаям частотные факторы; (j- ширина запрещенной зоны полупроводника. Для реальных МДП-кон7 денсаторов диапазон составляет, как правило, 1 НС t i с.

8,Повторяют операции 1-7 лри других средних температурах Т д.

9.Рассчитьтают плотность ПС

электрона; (f - потенциал, соответствующий обедняющему изгибу зон, устанав- ) и сечение захвата носителей заливают (меняя полевое напряжение) ряда на ПС а(Е, Тр) по формулам СФор- примерно равным половине запрещенной

35 мулы приведены для случая измерения зависимости V(t). Для непрерывного

зоны полупроводника Е о. Точное значеd (E) dl

ние q If j можно найти., например, из изме- /| . рений высокочастотной емкости цепи dR I

затвор - подложка. Ее величина С (на единицу площади структуры) связана с 40 шириной слоя пространственного заряда W соотношением

N fEb V,(t)-Vi(2t) .

ss( 5c;e:iH2-

.. ln4-JcTot rVi(t)-V(2t

1 1

С - с;; т

- относительная диэлектрическая проницаемость полупровод рх

электрика, При этом

емкость единицы площади , где Н - концентрация легирующей примеси (ее значение является известной характеристикой МДП-конденсатора). 5, Стабилизируют высокочастотную

емкос ть в цепи затвор - подложка.

to

15

298484

6..Регистрируют временные зависимости V(t) или I,(t)-монотонно изменяющихся составляющих сигналов релаксации напряжения на затворе V(t) или разрядного тока l(t) .соответственно,

7с. Регистрируют временные зависимости амплит-уд V2(t) или 12( Ь) синхронно осциллирзпощих с температурой составляющих сигналов релаксации пряжения на затворе У(1) или разрядного тока l(t) соответственно.

Измерение сигналов релаксации V(t) и l(t) проводится в диапазоне времен t, ограниченном условиями сниv

пде

зу t 7 б и сверху - t « время термической генерации носителей другого типа на границе раздела полупроводник - диэлектрик. В случае

ехр(|) в

объемной генерации i и) случае генерации через ПС

W ехр

I

L kT .

где

U), и

и)2- соот

ветствующие этим случаям частотные факторы; (j- ширина запрещенной зоны полупроводника. Для реальных МДП-кон7 денсаторов диапазон составляет, как правило, 1 НС t i с.

8,Повторяют операции 1-7 лри других средних температурах Т д.

9.Рассчитьтают плотность ПС

) и сечение захвата носителей заряда на ПС а(Е, Тр) по формулам СФор-

) и сечение захвата носителей за ряда на ПС а(Е, Тр) по формулам СФор

мулы приведены для случая измерения зависимости V(t). Для непрерывного

d (E) dl

/| . dR I

):

N fEb V,(t)-Vi(2t) .

ss( 5c;e:iH2-

.. ln4-JcTot rVi(t)-V(2t)-| .

T.e lv7rtT;v7r2tTj . ,(н.т., ,4.,

где V(t), V, (2t), V(t), V(2t) значения напряжето1 на затворе У и V в моменты време- 1Ш t и 2t соответственно: 9 i 0 i,

(i,K4Sdt,(t,f:

t,, t - переменные интегрирования; tfr - решение уравнения

., ln4kTot,rVa(t)-V2(2t)-I

тгт I vTTt;7 v7i:2t J j

при заданных Е к Т,

Дяй квазидмскретиого спектра

ft In ) , ч °

(|

:й, i%.|y,(t)V,(2t)| Т, iw trvat)V,(2t)7 .,

-; IH2TFT I ;rtT:v7T tT j

,, rv,(tM.(2tH

б(р.то) 19-;Tt7 v:THTI 3pjecb . и Е - ко щектрацш1 ПС к эдергий ак гизацж еоответствующего |g уфвня ПС; -IV тешература, jipH ко- тфой разность V.(t)™V ,(2t) для врЬменн t максимальнае

I Толщина окисла используемого конденсатора ffiм в режи- -зе обо- р гащения емкость С l-lfln-конденсатора составляла 149,5 пФ, МодуляцТ По тег-ете- рату1)Ы осуществляют периощ-гческим ос вйяаннем образца лаэе-ром ,8 снабженным механическим -{одулятороМ8 25 стабилиза1.ши температуры исполь- ajjioT электрончьй терморегулятор,

i Структуру померцают в оптический азотный кркостат,, освещают лазером и охлаждают до тe mйpaтypь К,

Удааивают мощность излучения лазера и-; вк.шочагот модулятор (частота модуля одш 1/0- 10 Гц). В.результате температура образца изменяется по перко- даческому закону с амплитудой К gg

: Заряжают образец,, для этого на . ., затвор подают обогащакщее напряжение +10 В. Зат&м подаст обедняющее напряжение -1 В. Б режяме стаби ызадии высокочастотной емкости МЩ-вюкдгйНсе- 40 тЬра измеряют зависимости от времени

W:,(t) и V.(t), В этом ,.е ЩШ-5ШИ

денсатор .взшючают в высокочастотный мост, и при отличии его емкости от эталонной сигнал рассохлпасова шя с 45 помощью снсте1Ф1 обратной связи отрабатывает изменение напрякенип а зат- йоре. структуры, A mли гyдy сигнала Vf(t) определяют детектором,, синхро ЙизированньЕМ с осщ«1лкрующе.й состав- gg Лиощей временной зависимости Tei-stepa - typbi. Повторяют указаишю измерешэд При тe mepaтypa2t 100, 150., 200 н J50 К,

Диализ зкспериментальнык данш. в gg (Соответствии с расчетным {{юриула йоказал, что энергетически - спбктр ПС . близок к квазидискретному, а знача- ния измеряемых сигналов максимальны

1429848,

в окрестности температуры (Ю К. Для количественного определения па- ранетров ПС измерения повторяют в ,. области этой температуры Тр 180-230 К . с шагом по Tj, 5 К. Обработка результатов измерений в соответствии с рас™ четгалкн формулами для мс дала К, из 5:-7.4-10 см- Е-0,36эВ, ЧЕ, Tj ,

Ф D р м у л а и 3 о 6 р а т е и и я

Способ определения параметров пограничных состоянМ на границе разде ла полупт5оводнш : -- диэлектрик, включающий установление тег-глературы об разца То 9 зарядку образца, 5зьтолнен- кого в виде йДП-конденсатора, до предельного заполнения пограничных сое- гоян1{й путём подачи на затвор МДГГ конденсатора обогащающего напряже-. JUiH, подачу обедняющ аго напряжения, еоздагоиего у гран1-1цы полупроводника с дизлактрикок обедняющий изгиб зон, при котором заполнение пограничных состояний становится неравновесным, (Л аб 1лнзацию высокочастотной емкости в цепи затвор - подложка , измерение временньтх зависимостей напряжения на г атворе V(t) или разрядного тока i.(t} МДГЬконденсатора} повторение перечисленньтх операций при других температурах образца, о т л и ч а го- ид к и с я тем, что, с целью обеспе™ «тения возможности измерения сечения захвата носителей заряда на norpamiM- Hbse состояния к повьпзення точности «зпределеиия плотности пограничных сос TOJiK rfKj дня каждого значения Т TeNf. иературу образца кодушфуют по перио- днчаскому закоиу T Tp-bd-f(t) с п ерио- до.м 9 и амплитудой & j удовлетворяющи- €Д условиям t и , и per iCTpj-jpyioT временные зависимости монотонно изменяющихся составляющих наирккегшя на затворе V(t) или разрядного тока I(t)s а также временже Эсшнсимости амплитуд синхронно изме- няющзгаря с, температурой составляющих нялрялсения на затворе V2(t) или раз рядного тока I(t)5 при этом энергетический спектр пограничных состояний Н.гД й) и сечение захвата на ш«с СЕобсднык ио.скталей заряда С(Е, Т0 ) находят из выра ;ештй

щш кепРерывиого спектра

Id Хп lss(E)i - .

, . V,(t)-V,(2t) .

чс-хтЛпГ-

Е

ГV2(t)-V,{2t) 1 ------ I гт ггт-тг г угт I - энергия J-6-V L v,itT-v 2tTj

активации пограничных состояний;

К 4 55 75

6(Е, Т(

NC-U t

для квазидискретного спектра LLn NsMlkT,,.,:

, N5 ,(t).V,(2t)| Т,Т,; „ rv,(t)-V4(2t)-Jl „ .

152 d eT I vTTtT-vTTHTJ 1

. V kToe rVi(t)-V,(2t)

,io)- -----------1 ..

где V, (t), V,(2t), V2(t), Vj(2t) 15

Cj,,, - емкость единицы плошади электрика;

(t,)dt,.i.j d

-л .

1

20

щ)емя t

значения напряжений на затворе V и V в моменты времени t и 2t соответственно; отсчитывается с момента начала релаксации напряже тя;

25

t, - переменные интегрировани

F. - эффективная плотность со тояний в разрешенной зон

V -. средняя тепловая скорост свободных носителей заря

t - решение уравнения ln4-kTot rVi(t.)-Vi(2t)

ттг- I -v7Tt;7-v7rH;7

при заданных Т, и Е; N - концент ция пограничных состояний с дискр нь1м уровнем; Т„, - температура, пр

f(t) - периодическая функция с пе- торой разность v,(t)-V ,{2t) для

риодом б и амплитудой 4

30

времени t максимальна.

V

для которюй Jf(t)

tg - характерное время прохождения температурного фронта по области пространственного заряда у границы полупро - водника с диэт ектрнком;

k - постоянная Больцмана;

q - элементарный заряд;

Cj,,, - емкость единицы плошади ди . электрика;

(t,)dt,.i.j )dt,

-л .

1

0

5

t, - переменные интегрирования;

F. - эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;

V -. средняя тепловая скорость свободных носителей заряда;

t - решение уравнения ln4-kTot rVi(t.)-Vi(2t) 7

ттг- I -v7Tt;7-v7rH;7 J

при заданных Т, и Е; N - концентрация пограничных состояний с дискрет- нь1м уровнем; Т„, - температура, при которой разность v,(t)-V ,{2t) для

торой разность v,(t)-V

30

времени t максимальна.

7 хXX х XXXX XX X XI д

13

Р ч

/7

сп

70 74

/7

Л

ипб

т

/7

16

ФШ