Способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик

 

ССНОЗ СОВЕТСКИХ

СООИАЛИСТИЧЕСКИК

РЕСПУБЛИК (51) 5 Н 01 Т 21/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

AО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬП ИЙ ((21) 4 f 40317/25 (22) 02.09.86 (46) 15,12.91, Бюл. N - 46 (7f) Институт радиотехники и элект ррники АН СССР (72) А.С.Веденеев, Е.И.Гольдман, А.Г.Ждан, и А.В.Кузнецов (53) 62 i . 382(088.8) (56) Гуляев Н.В. и др. Спектроскопия электронных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик МДПструктур. Электронная промьппленность. .i985, в. 3 (141}, с, 44-48.

Klausmann Е. The Eva1uation of

Transient Capacitance Measurements

on МОБ Interfaces inst,. Phys. Conf.

Ser. l980, ff 50, Chapter 2, р. 9?. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ HA ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИК вЂ” ДИЭЛЕКТРИК (57) Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано для определения

Фундаментальных характеристик границ раздела полупроводник — диэлектрик, Цель изобретения — обеспечение возможности измерения сечения захвата носителей заряда на поверхностные состояния (ПС) н повыщение точности определения плотности ПС, Согласно изобретению устанавливают необходимую

„„SU„„3 429848 температуру исследуемого обраэца—

МЯЧ-конденсатора, определяемую с воз« можностями измерения высокочастотной емкости конденсатора, и модулируют температуру образца по периодическому закону с периодом и амплитудой мо" дуляции, отвечающим определенным условиям. Затем заряжают МДП-конденсатор обогащающим напряжением до предельного заполнения ПС, о. чем судят по величине высокочастотной емкости образца, равной в этом случае емкости диэлектрического слоя МДП-конденсатора. Подают обедняющее напряжение, создающее у границы полупроводника с диэлектриком обедняющий изгиб зон, при котором заполнение ПС становится неравновесным. Стабилизируют высокочастотную емкость МДП-конденсатора и регистрируют не осциллирующие составляющие и синхронно осциллирующие с температурой составляющие сигналов релаксации напряжения на затворе МДП4 конденсатора или его разрядного. тока. Повторяя укаэанные операции, при других средних температурах образца определяют иэ полученных зависимос-, тей расчетным путем спектр ПС и энергетическую и температурную зависимости сечения захвата на них свободных носителей заряда. 2 ил.

I 429848

Изобретение относится к области полупронодниковой техники и может быть использовано для определения функциональных характеристйк .границ раздела полупРРводник " диэлектрик, таких .как энергетический спектр пограничных состояний (IIC} и теьшера» туркан и энергетическая зависимости их сечений захвата. 10

Целью изобретения является обесi ! печение воэможности измерения сечения захвата носителей.заряда иа по:,верхностные состояния и повышения точности определения плотности по" 15 верхностных состояний.

На фиг. 1 представлена схема устройства,,реализующего предлагаемый способ;- на фиг. 2 изображена зоиная схема полупроводника у его границы 20 с диэлектрнкомь схема устройства включает блок 1 измерении монотонно изменяющейся составляющей полевого напряжения, блок

2 измерения амплитуды осциллирующей

:: синхронно с температурой составляюI щей полевого напряжения блоК 3 изме, рения высокочастотной емкости цепи . затвор - подложка, блок 4.поддержа» . ния постоянной высокочастотной емкос-30 ти цели затвор - подложка, блок 5 измерения вольт-амперной характеристики цепи исток — подложка, блок 6 измерения вольт-амперной характеристики цепи сток — подложка, источник 7 З5 тепла ", внешние датчики 8 температуры, пунктирам изображена граница слоя. пространстненного заряда, металл .9 полевого электрода (затвор), диэлектрик 10 полупроводник 11 подлОжку QQ

12, исток 13, сток 14 термастат 15, внешнюю батарею 16, .задающую обогащающее н обедняющее полевое напряжение, ключ 17, переключающий ИДП-конденсатор в режим разрядки. 45

Пример. Способ реализуют на

11ДП-конденсаторах типа Al - Si0 Si осуществляя следующую совокупность операций. !

Устанавливают требуемое среднее значение температуры То образца - МДП-конденсатора. Температуру

Т, выбирают исходя из требования

kT<, aF, где k — постоянная Больцмана;

Е - энергия активации соответствующего уровня ПС. Нижний предел Тц ограничнвается возможностями измерения высокочастотной емкости цепи затвор подложка, поскольку с понижением" температуры сопротивление объема полупроводника резко возрастает. Для реальных структур Si - $10 этот предел составляет десятки градусов Кельвина.

Дискретность значений То определяет энергетическое разрешение способа.

2. Модулируют температуру образца

Т по периодическому во времени t закону Т=Т + д f(t), где f(t) - периодическая Функция с периодом О и амО плитудой В, причем J Г(t)6t=0„ о . 8»1„, <о характерное время прохождения температурного Фронта по области пространственного заряда у границы полупроводника с диэлектриком; d - амплитуда приращения тем«

1<ТО .пературы, А Й вЂ”

Е

Йодуляция температуры образца производится эа счет дополнительного источника 7 тепла, который подает на. образец периодически меняющийся со временем поток тепла. Прн этом температура становится неоднородной,она меняется по образцу с характерным расстоянием aZ (†-), где ж - теп1

Б р лопроводность; S - удельная теплоемкость; о - плотность полупроводника.

Поскольку разряд ПС рассматривается

s условиях,однородйой по слою объемного заряда (шириной W) температуры, то необходимо выполнить условие: Ч сс (жв) ю й(--) ° Отсюда следует что О я =

Б

В д—

SyM . Дпя широкого класса материЖ алов — "1 и t =2,5:10 () с.

Sf у vl q о

Измерение температуры в слое объемного заряда у границы полупроводника с диэлектриком можно, например, проводить по температурным зависимостям тока в цепи исток — подложка или сток - подложка, т.к, по ео-. противлению встроенные р -и-переходы (исток и сток) очень чувствительны к изменению температуры. Вначале, устанавлиная с помощью термостата (источник 7 тепла отключен) однородную по образцу температуру, которую

4иксиру1от датчики 8, измеряют ток и напряжение в цепях исток - подложка и сток - подложка. Затеи измеряют! 429848 ток в этих цепях при включенном источнике 7 тепла и с помощью ранее полученных характеристик определяют температуру в слое объемного заряда, а также проверяют ее однородность вдоль границы раздела полупроводника с диэлектриком.

3, Заряжают ИДП-конденсатор обогащенным полевым напряжением до предельного заполнения ПС.

На фиг. 2 изображена зонная схема полупроводника у его границы с диэлектриком: Š— дно зоны проводи мости; Еч — потолок валентной эоны.

Сплошная линия отвечает обедняощему изгибу зон, а пунктирная - обогащающему (соответственно обедняющему н обогащающему полевым напряжениям).

Наличие обогащающего изгиба зон мож- гр но фиксировать, например, по значению вь)сокочастотной емкости цепи затвор - . подложка, а именно в этом случае она должна совпадать с геометрической емкостью диэлектрического промежутка. 25

4. Подают объединяющее полевое напряжение, создающее у границы полупроводника с диэлектриком обедняющий изгиб зон, при котором заполнение ПС становится сильно неравновесным. Обед-gp няющий изгиб зон q())), где q — заряд

55 электрона; (— потенциал, соответствующий обедняющему изгибу зон, устанав ливают (меняя полевое, напряжение ) примерно равным половине запрещенной

35 зоны полупроводника Е . Точное значение q «! можно найти, например, из измерений въ)сокочастотной емкости цепи затвор — подложка. Ее величина С (на единицу площади структуры) связана с 4р шириной слоя пространственного заряда ч! соотношением

5S

- переменные интегрированиями

- решение уравнения! 1 4)(V

««» +

С Сох 1 Ф где Е - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

Со„- емкость единицы площади диэлектрика.

При этом (Р!) =2Ц(1 И Ч

S„ где N - концентрация легирующей приD меси (ee значение является известной характеристикой

ИДП-конденсатора).

5. Стабилизируют высокочастотную емкость в цепи затвор — подложка.

6.,Регистрируют временные зависимости Ч, (t) илн T,(t) .монотонно изменяющихся составляющих сигналов релаксации напряжения на затворе V(t ) или разрядного тока T(t) .соответственно.

7, Регистрируют временные зависимости амплитуд V> (t ) илн T > (t ) син» хронно осциллирующих С температурой составляющих сигналов релаксации на пряжения на затворе V(t) или разрядного тока T(t) соответственно, Измерение сигналов релаксации

Ч(т,) и T(t) проводится в диапазоне времен t, ограниченном условиями снизу t д и сверху — t (с,„рде время термической генерации носителей другого типа на границе раздела полупроводник — диэлектрик. В случае

I объемной генерации Ы ехр(-) в

v случае генерации через ПС ч

Г Ea-E 1

=() ехр - -- 1, где L4 н И вЂ” соот1т 1

1 ветствующие этим случаям частотные факторы; Е) - ширина запрещенной эоны полупроводника. Дпя реальных МДП-конденсаторов диапазон составляет, как правило, l мс t < l c.

8, Повторяют операции 1-7 при дру" гнх средних температурах То.

9. Рассчитывают плотность ПС

ЯЕ) и сечение захвата носителей saряда на ПС Й(К, Т()) по формулам (фор« мулы приведены для случая измерения зависимости Ч(С)). Для непрерывного спектра (-- — — — — (kT D! ):

1п И55(Е ) д .о

V,(t)-Ч„(г )

qC kT 1n2

Ох 0

1п4.kTot V;(t)-V (2t) )

1 445575 «т

,(Е T ) «х . «т о Nut

Э с. где Ч)(t) V) (21), Ч)(Ь), Vq(2t) значения напряже пш на затво ре V и У в моменты времени t, н 21 соответственно:

8 8

9= >)d<()f(t)dt,--)dt, ()dt<)

0 î о

1п4 То + Ч («)-V L(2t«) 1! д.в.,,! I.v„(t $ v„(2t+73

",Ь2g8718 при заданных .Е 1<

Дпй квазидискретного спектра

<1э5(Е) (.< —<,к 1, -.:, 1 );

1- -E

<а () „(2. )) ", =<У

kK,e " Г 1 ()-VZ (2й1

О(Я < < )= - —" - - - < - " "-" << <" 1-<

N ua8 Е V 14) V..1 t1

3 .Сь Н и Е - концентрацил 11С и знбргия активации СООтветствующего уровнЯ ПСФ Т,„- темпеаатура„пои которой разность fv „(t)--v (2 1..)1 для вуЗемени Ф максимальна, Тол06%на Окисла используемого МДП«. конденсатора 0,12 мкм, в режиме обогащения емкость С 11ДЧ-конде11сатора саставляла 1А9 5 пФ. Модуляции температуры Осуществляют периодическим освйиением образца лазером ЛГ-23, схМабженным механическим модулятором. 2

Дня стабилизав<ии 1 ем11ературы испольЭфОТ ЭЛЕКТРОН" 1ЬГй ГЕРМОРЕГ Ч1Я ГОР <

Структуру по меща10т Р on T<<че ский афотИЬП1 I(PHOOT

Удваивают мощ :<о сть излучения лаэера

/ и вкпючают мОдулятор <, частота мОдуля ции 1у 8 «16 Гц), Б результате температура образца изменяется по периодическому закону с амплитудой и 1 К, 35

Заряжают образец, для этого на затвор подают сбога111аннцее напрн;1..ение

+30 В, Затем подают обедня1ощее напряжйние -1 3. Р режиме стабилизации ийсокочастотной емкости МДП-конденса- 10 тора измеряют эависимогти от времени

V (4) и V. (t,)..В этом,режиме ЫДП-конденсатор включают в высокочастотный иост, и при отличии его емкости от

ЭТалОННой СИГНаЛ РаССОГлаСОВаЬП1Я С,<<. помощью системы обратной связи отра, батывает изменение напряжения иа эатВоре структуры, йялитуду С111 нала

У1(1) определя1от детектором,. Синхронизированным с осциллирующей «ос1"ав.- -,.,1 ляющей временной зависимости те -<пературы„повторяют указанные иэмереяца при температурах 1110, 15Î,< ?ОО,:;

25О К, Анализ экспериментальных данна<а<1 9 соотвetствии с р<эсчетньРв< фор1<1улани доказал что энергетическ ."": спектр ПС близок к квазидискретному, а эначе ния измеряемых сигналов максимальны в Окрестности температуры Т =200 К, П<ля количественного определения параметров ПС измерения повторяют в области этой температуры Т, 18О-230 К с ща ом по Т ; 5 К. Обработка результат-в иэ :;:-:. eÿèé v соответствии с расче <-нь1мн1 1<<.о „-ь1-<<„<эм11 для t =25 мс дала

-Ф 2 "-. -" < 1О см 9 <В-36 1

s,<(P Т 1: 1) "

- --pмула иэ обрет ения

Способ Определения параметров по: вЂ,раничных состояний на границе разде.-1.< полупроводник — диэлектрик„ вклю-:. -1ю1111й установлсние температуры образца <б > зарядку Образца выполнен ного в виде МЩП-конденсатора, до предельного заполнения пограничных состояний путем подачи на затвор Pig&

†;онденсатора обогащающего нагряжения, )10дачу збедняющего напряжения соз,цающего у границы полупроводника с диэлектрикoN обедняющий изгиб зон, при котором заполнение пограничных состояний становится неравновесным, . Габилиэацию высокочастотной емкости в цени затвор — подложка, измерение .:.>еменных зависимостей напряжения на .",атворе 7(1} или разрядного тока

Ъ(.) МЦП-конденсатора, повторение перечисленных операций при других температурах образца, о т л и ч à «o-v, и и с я тем, Что, с целью обеспе.-,ения возможности измерения сечения захвата НОсителей заряда на пограничные состояния и повыщення точности определе11ия плотности пограничных состо. ний„ для каждого значения Т тем" и .1ратуру образца модулируют по перио1 .:.-:Часком< эако11л T=T + d f(t) c периоцом 9 и амплнтуцой Ь, удовлетворяющими условиям 1 >< 8 7 1 и Й <-< 1 (,/Е и регист"ируют времe.<ные зависимости монОтоннО <ь1эменяющихся составляющих нанря-.,"е1ыя на затворе V„(t) или раз.:=.11ц11ого тока 1 (1,) а также временные зависимости амплитуд синхронно изменяющихся с,температурой составляющих

;-.япряльения на затворе Ч <(t) или раз:.:ядного тока 1 < (<< ) при этом энерГе

Т1 Ч - "- с Кй пеКТр пог1<апичных СОСТОЯ

<1;<1-", g . (Е<, и "ez"„ение захвата на них ..воб=дчых но,сителей заряда (E То )

„",яхо<.-:т 1э выра <<<<ений ,„.я депрерььвпого спектра („: 1у н<,,(Е) < с ".< -- -<„>Р < (1 \У г1Я

1429848

7

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

Н (Е)= -- — -:--- — - °

ss qC„:kT() 1п2

1п4КТрй 1 Vz(t)-V (2t) 1

Е- "- — — з-- -- - -««< - 1 - энергия б активации пограничных состояний;

1 4455 75 И "то1 (Е Т )=-> — — - е и о с (( и для квазидискретного спектра

1(1м(Е)

I kT,» I;

6Е

16 и = — — tV,(t)-V,(2t)) (Т =Т„,;

kT(ttt (Y 1(t)-Vg(21)1

1ст,е (V,,(t)-V (2t)

0 1,,с u 4 В 4Е 1 V ft7-V)72t3 j где V< (4) е Ч1(2") V (t) Vq(2t) значения напряжений на затво25 ре Ч, и Ч в моменты времени t и 2t соответственно; время Ф отсчитывается с момента начала релаксации напряжения, 1(Ф) - периодическая функция с периодом 8 и амплитудой 4, д кок которой ) f(t)Ы=>)>

- характерное время прохождения температурного фронта по области пространственного заряда у границы полупро» водника с диэлектриком;

- постоянная Больцмана, - элементарный заряд;

С „- емкость единицы плошади диэлектрика;

8 4 0 ь

q- —, ) at ((>(t,)at,— — (йй 1((tt) о о о

1 - переменные интегрирования; ! ъ 2

N - эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;

1 ч -. средняя тепловая скорость свободных носителей заряда;

t+ - решение уравнения

1п4 КТ,t f V (1g)-Vt(2tw) при заданных Т, и Е; М - концентрация пограничных состояйий с дискретным уровнем; Т,„- температура, при ко" торой разность fV,(t)-V,(2t)) для времени t максимальна. (429848

Составитель И.Петрович

Техред Л.Сердюкова

Редактор Т.йрчикова

Корректор М.Максимишинец

ФФ Ю

Тираж 357 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР. по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, Ж-35, Рауюскан наб., д. 4/5

ЮВЮ

Заказ 4666

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4