Способ определения параметров пограничных состояний в мдп- транзисторах

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РеСпуБлин зЮ С 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

По ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИй (21) 3529307/18-21 (22) 29. 12.82 (46) 30.05.84. Бюл. 0- 20 (72) А.С. Веденеев, А.Г. Ждан, П.С. Сульженко, А,Ф. Кабыченков и А.Г. Шафран (71) Ордена Трудового Красного Знаме" ни институт радиотехники и электроники АН СССР (53) 621.382(088.8) (56) 1. Колешко В.М. и др. Контроль в технологии микроэлектроники. Минск, "Наука и техника", 1979, с. 136-168.

2. IEEE Trans on Electron Dev„

1968, У 15, р. 1004. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ IIAPAMETPOB ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ В МДП-ТРАНЗИСТОРАХ, включающий охлаждение транзистора, измерение зависимости тока стока транзистора от напряжения сме» щения при фиксированном значении напряжения исток-сток и определение спектра пограничных состояний расчетным путем, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения чувствительности способа, транзистор охпаждают до температурыТ4дЕ/4К, одновременно с измерением зависимости

Ю

1,SU.„1095115 А тока стока от напряжения смещения из-, меряют зависимость скорости возрастания тока стока от этого напряжения, соноставляют значения тока стока и скорости его возрастания при одинаковых напряжениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство:

33(Ца1 ъ, E(H Кт)

<1(Ф) dU с 0J С 23iE Й где К вЂ” постоянная Больцмана;

Ъ| — отношение ширины канала МДПтранзистора к его длине;

С - удельная емкость диэлектрика; 3 с - диэлектрическая проницаемость полупроводника;

К и N - соответственно эффективная с плотность состояний в разрешенной зоне и концентрация Я основной легирующей примеси;

hg — ширина. запрещенной зоны;

3 — ток стока транзистора;

U+ - напряжение смещения;

Ю

Од - напряжение исток-сток; CO

d E - -требуемое энергетическое раз- Щ решение.

109511

Ист (=-Ч 5

N ктекр—

КТ, 1,а

No Мя КтехР Кт

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения электронных характеристик границы раздела полупроводник — диэлектрик непосредственно в ИДП-транзисторах, в том числе входящих в состав интегральных схем.

Известен способ определения параметров пограничных состояний (ПС) границы раздела полупроводник-диэлектрик, основанный на измерении при комнатных температурах вольт-фарадных характеристик МДП-конденсаторов и определе15 нии искомых параметров расчетным путем (1J.

Недостатками этого способа являются малое энергетическое разрешение (c%) 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 способ определения параметров "мелких"

ПС в МДП-транзисторах (2).

Согласно этому способу в ИДП-тран30 зисторе выполняют следующие операции.

Охлаждают образец, измеряют зависимость тока стока от напряжения смещения при фиксированном напряжении исток-сток. .Строят теоретическую зависимость 35 и (и )=ид 9, а{и )N(U ), <1>

1 где (4(U ) — поверхностная концентраФ ция носителей в канале;

Ь / а — отношение ширины канала к его длине; (о. — подвижность; — заряд электрона.

Для этого, решая уравнение Пуассона, находят зависимости Я (Ч ) И,О (Ч ), пренебрегая влиянием ПС, где 9 — поверхностный потенциал, отсчитанный от края зоны (неосновных носителей); используя 5 как параметр, строят зависимость e {u<); при некотором значении U©).U — напряжение порога onpet деляют подвижность|и. по формуле: учитывая изменение /л. с, восстанавливают зависимость pа{U ) и по формуле (1) строят 3 (u ).

5 2

Из сравнения .) {Ц,) н 3 {О ) определяют Й5 {Е) по формуле:

d(o ) аэ (ч,1 (3) С d dУ, где LlU — разность напряжений смещеЯ ния на теоретической и экспериментальных кривых, отвечающих условию равенства

ТоК0В 3g и 3О1 °

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

0, что верно лишь при высоких температурах и/или малых N>5{Е ) . В прОтивном случае ра определяется выражением:

q а Ь 1- as (F «з 1 (Ц гае Й =(Е(а,КТ) РУЕ Ма ) — концентрация носителей в канале при условии касания уровня Ферми и границы зоны неосновных носителей на поверхнОсти ° Q 5 + Р Ое

Использование формулы (2) при более низких температурах приводит к прогрессивно возрастающим ошибкам

d Мз в ОпРеделении Ngg. HeTÐÓ HÎ ви деть, что УЦ )к) ),(ИСТ

55 ss ss

55 при Т 100 К и М -1012см /эВ.

SS

Таким образом, недостатком этого способа также является низкая чувствительность при определении спектра

"мелких" ПС, а именно низкое энерге-, тическое разрешение d Å и большая погрешность при определении плотнос-, ти "мелких" ПС, (((Е).

Цель изобретения — увеличение чувствительности способа.

1095115

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров пограничных состояний в ИДПтранзисторах, включающему охлаждение транзистора, измерение зависимости тока стока транзистора от напряжения смещения нри фиксированном значении напряжения исток-сток и определение спектра пограничных состояний расчетным путем, транзистор охлаждают до температуры Т«д Е/4К, 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 напряжениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство:

aa(u ) „

a(g) au ид где K — постоянная Больцмана;

b/0 — отношение ширины канала ИДПтранзистора к его длине;

С вЂ” удельная емкость диэлектрика; — диэлектрическая проницаемость полупроводника;

Ц и Мс — соответственно эффективная плотность состояний в разреленной зоне и концентрация основной легирующей примеси;

E+ — ширина запрещенной зоны;

ЭС1 — ток стока транзистора;

О „- напряжение смещения;

0,1 в напряжение исток-сток; д Е- требуемое энергетическое разрешение.

На фиг. 1 представлены зависимости тока стока транзистора и скорости нарастания этого тока от напряжения смещения, а также теоретическая зависимость 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 следующих теоретических соображениях. Из анализа формулы (4) следует; что она переходит в формулу (2) когда

М (Е) много меньше заряда свободных носителей, что выполняется либо при больших Т, либо когда

F 4QW )0 (6) Решая уравнение Пуассона для ИДПтранзистора, можно показать, что при выполнении равенства (6) поверхностная концентрация в канале транзистора . составляет и;(Цн,KTj/ãòE N„q )"", Ч

Р=-о У

0 -"О о

Для нахождения на зависимости

Э, (О ) точки, в которой можно восполь20 зоваться формулой (2), необходимо решить уравнение (7), что можно сделать, например, графически. Для этого, постепенно увеличивая )U I, одновременно с зависимостью 3>(U строят

25 F(U ) no формуле (7) и продолжают эту процедуру вплоть до точки их пересечения при некотором Ц =Оц, в которой и определяют р. по формуле (2).

Поэтому в предлагаемом способе по

30 сравнению с прототипом проводят следующие дополнительные операции.

Охлаждение образца до температуры

Т «д Е/4К, обеспечивающей требуемое энергетическое разрешение d Е.

Измерение производной a3 /au< одновременно с зависимостью 3, (0 ) °

Определение значения U из решения уравнения (7), например, графически путем построения на одном rpa40 фике в координатах 3 -0 зависимосВ тей 3 (U .) и F(U ) и определение точки их пересечения при Б =UO, в окрестности которой и определяют подвижность по формуле (2) .

4> Энергетическое разрешение предложенного способа определяется минимально возможной температурой измерений Т, которую можно оценить, например, из условия равенства проводимостей прыжковой и по зоне не.основных носителей: Ю " — êò =" Гм

5Е где p- — "прыжковая" подвижность;

ДŠ— интервал "мелких" ПС.

Для Е й0 1 эВ и типичных значений р х10 см/g-С., М- "10 см /эВ, получаем Т 4К, которому отвечает

1095115

И 10. 9

Hgg(f A

15 6 9(<) 9 èê Р (Pl/< 1

ВНИИПИ Зажав 3591/28 Тираж 711 Подписное

ФВ Ю

Филиал ШШ "Паз ези" ° r.Óàãîðîä, ул.Проектная, 4,dE ».1,3 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 3j(0y) про водились на промышленном полевбм трайзисторе (КП 301 Б) при Up 10 ИВ и

Т 20 К. На фиг. 1 показаны зависи10 мости 3< (О ), F (О ) и рассчитанная по описаннОй методике зависимость

3+o{Q (кривые 1,2 и 3 соответственно). На фиг.2 приведен спектр ПС.К (Е), рассчитанный иэ сравнения графиков 1 и 3 на фиг.1.

Наличие хвоста отрицательной плотности состояний при Е 2,б мэВ является следствием скачкообразного измене- О ния к при изменении зарядного состояния ПС но прохождении его уровнем

Ферми. Существование данного скачка не может быть учтено ни в рамках предложенного способа, ни в рамках прототипа. Последнее определяет погрешность определения Й (Е) йри ис 1 пользовании стандартного предположения о зависимости pk.- =f (U ):

Ж и = st". j- "

S$ где Ng и МЗЭ вЂ” соответственно значение "положительной" и "отрицательной" плотностей ПС в максимумах.

Погрешность прототипа при определении Й, при тех же условиях составляет более 503 что означает отличие измеренной Й 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 получаемой 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 1ЩП-транзисторов и приборов на их основе (БИС), что повышает процент выхода годных.