Способ определения поверхностного электростатического потенциала полупроводника Советский патент 1982 года по МПК H01L21/66 

постоянное напряжение и высокочастотное напряжение такой малой величины, чтобы не нарушалось термодинамическое равновесие свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика-под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости емкости области поверхностного пространственного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала. Для исключения из суммарной емкости исследуемого образца емкости поверхностных состояний частоту соо переменного высокочастотного напряжения выбирают из условий

о)отом-С1, (OoTOs l,

где том - максвелловское время диэлектрической релаксации; TOS - время релаксации поверхностных состояний 4.

Недостаток известного способа заключается в том, что при электростатических потенциалах поверхности, соответствующих значительному ее обогащению основными носителями тока, суммарная емкость исследуемого образца практически перестает зависеть от величины емкости области поверхностного пространственного заряда полупроводника, по которой и определяется .поверхностный электростатический потенциал, так как эта суммарная емкость практически равна емкости диэлектрика под емкостным контактом. Этот недостаток приводит к потере точности или даже невозможности определения электростатического потенциала при больших обогащениях поверхности.

Целью изобретения является повышение точности измерения поверхностного электростатического потенциала в области обогащения поверхности полупроводника основными носителями тока.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, по которому к полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное напряжение и высокочастотное напряжение такой малой величины, чтобы не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости емкости области поверхностного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала, на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением, разогревающим свобо.ные носители тока, измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил между контактами образца, выделяют из суммарного сигнала составляющую сигнала поверхностной термоэлектродвижущей силы горячих носителей тока и уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости этой термоэдс от постоянного напряжения на емкостном контакте с ее теоретической зависимостью от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при фиксированной энергии электромагнитного излучения.

Данный способ осуществляют следующим образом.

К полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное смещающее напряжение такой малой величины, чтобы существенно не нарушалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника. Измеряют суммарную емкость образца С, состоящую из емкости области поверхностного пространственного заряда Сзс и емкости диэлектрика Со, под емкостным контактом в зависимости от величины постоянного смещающего напряжения {/см на емкостном контакте. Из общей емкости С выдают равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда Csc и ее зависимость от f/см

С (U )- (С/ем)

которую сравнивают с теоретической зависимостью () от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при температуре окружающей среды TO (или температуре решетки полупроводника).

Зависимости Сзс(/см) и CsclTsCTo) дают зависимость ф8(Го) /(), т. е. для каждого значения UCM получают значение (fs(To).

При обогащении поверхности основными носителями тока, когда

)-,

где k - постоянная Больцмана, а q - заряд электрона, C(f/cM) const Co и в этой области зависимость Csc(f/cM) практически не дает информации о величинах Фй(7о).

Поэтому, когда уже известна зависимость (fs(To)f(UcM) для области истощения поверхности основными носителями тока, для прямых зон, когда (fs{To)0, и для области слабого обогащения, малое высокочастотное напряжение выключают и на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением с заданным уровнем мощности в течение заданного времени, разогревающим свободные носители тока. Измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил U между емкостным и металлическим контактами, равный в режиме обогащения -In- + o, „,лл)(4:-1)где Те - температура горячих основных носителей тока; (Т ЪТ7 --In- - по- поверхностная термоэлектродвижущая сила горячих носителей тока; t/o - другие электродвижущие силы, не зависящие от фзСТо)Из сигнала U выделяют составляющую сигнала поверхностной термоэдс горячих носителей тока путем вычитания из суммарной ЭДС U ее значения.при плоских зонах на поверхности полупроводника, т. е. при 9s(7o)0, так как для этой области зависимость (To)f(Uci.i) уже известна из зависимости CSC(UCM) , 0 - fs( И уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника (fs(To) в режиме обогащения из сопоставления зависимости составляющей величины поверхностной термоэдс горячих носителей тока )0 от постоянного напряжения смещения UCM с теоретической зависимостью этой составляющей ) от поверхностного электростатического потенциала полупроводника (То) при фиксированной энергии электромагнитного излучения, т. е. при заданном значении параметраБлагодаря определению поверхностного электростатического потенциала полупроводника в данном способе из составлягощей поверхностной термоэдс, возникающей на системе металл-диэлектрик-полупроводник при воздействии на полупроводник электромагнитным излучением, разогревающим свободные носители тока, вместо измерения суммарной равновесной емкости той же системы, как в известном способе, позволяет значительно уточнить величину поверхностного электростатического потенциала полупроводника в режиме обогащения. .Например, для системы А1-SiOa-Si-Al, обычно используемой при производстве микроэлектронных приборов, . изменение напряжения на затворе от -2 до -10 В изменяет суммарную емкость С в обогащении на 0,32%, а составляющая поверхностной термоэлектродвнжущей силы горячих носителей тока, используемая для определения (fs{To), изменяется при том же изменении напряжения на 32%, т. е. в 100 раз больще, что и обеспечивает больщую точность определения (То) в обогащении по данному способу. Формула изобретения Способ определения поверхностного электростатического потенциала полупроводника, состоящий в том, что к полупроводниковому образцу с одним металлическим и другим емкостным контактами прикладывают постоянное напряжение и высокочастотное напрял ение такой малой величины, чтобы не нарущалось термодинамическое равновесие между свободными носителями тока и решеткой полупроводника, измеряют суммарную емкость области поверхностного пространственного заряда полупроводника и емкость диэлектрика под емкостным контактом, выделяют равновесную емкость области поверхностного пространственного заряда и определяют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости емкости области поверхностного пространственного заряда от постоянного напряжения с теоретической зависимостью этой емкости от поверхностного электростатического потенциала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения поверхностного электростатического потенциала в области обогащения поверхности полупроводника основными носителями тока, на полупроводниковый образец воздействуют электромагнитным излучением, разогревающим свободные носители тока, измеряют суммарный сигнал электродвижущих сил между контактами образца, выделяют из суммарного сигнала составляющую сигнала поверхностной термоэлектродвижущей силы горячих носителей тока и уточняют поверхностный электростатический потенциал полупроводника из сопоставления зависимости этой термоэдс от постоянного напряжения на емкостном контакте с ее

теоретической зависимостью от поверхностного электростатического потенциала полупроводника при фиксированной энергии электромагнитного излз чения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Пека Г, П. Физика поверхности полупроводников. Киев, изд. Киевского Государственного университета, 1967, с. 54-56.

2.Авторское свидетельство СССР № 308390, кл. G 01R 29/00, 1971.

3.Кальвенас С. П. и др. Разогрев элек/; ронов в сильных постоянных электрически полях у поверхности электронного герма ния. - «Физика и техника полупроводников, вып. 10, 1968, т. 2, с. 1495-1499.

4.Пека Г. П. Физика поверхности полупроводников, Киев, изд. Киевского Государственного Университета, 1967, с. 173-17Я (прототип).