Способ определения поверхностного изгиба зон полупроводника s в мдп-структуре

 

Изобретение относится к области измерения и контроля электрофизических параметров и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - получение возможности непосредственно регистрировать зависимость изгиба зон полупроводника s(Va) от модулирующего МДП-структуру напряжения с различной скоростью его изменения. Он достигается тем, что в качестве модулирующего напряжения используют напряжение пилообразной формы и определяют зависимость s от величины модулирующего напряжения по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения. 3 ил.

Изобретение касается измерения и контроля электрофизических параметров полупроводников и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур.

В настоящее время для определения поверхностного изгиба зон s широко используются методы как равновесных [1], так и неравновесных [2] вольтфарадных характеристик (ВФХ). Однако эти методы не обеспечивают достаточной экспрессности, точности и простоты процедуры измерений, так как величина изгиба зон s определяется в них косвенно и лишь путем расчета по формулам, в которых в качестве параметров используются: емкость МДП-структуры (C), которую обычно измеряют в ВФХ, и концентрация легирующей примеси (N), которую берут либо из паспорта на используемую подложку, либо вычисляют из равновесной ВФХ [1] по величине высокочастотной емкости Синв, соответствующей режиму формирования в МДП-структуре режима равновесного инверсионного слоя, или из неравновесной ВФХ [2], полученной при сверхбольших скоростях изменения напряжения смещения на МДП-структуре dv/dt>106B/C по ее крутизне dc/dv. Необходимо отметить, что использование способа [1] в ряде случаев может быть существенно затруднено. Например, из-за наличия утечек в диэлектрике МДП-структуры условия формирования равновесного инверсионного слоя не будут выполняться, что не позволит вычислить величину Синв, а следовательно, и определить N с достаточной степенью точности. Использование же паспортной величины N, являющейся характеристикой объема полупроводника, не всегда корректно, так как величина N в приповерхностной области полупроводника МДП-структуры может существенно отличаться от ее объемного значения для исходной полупроводниковой подложки.

Основным недостатком способа [2] является необходимость использования высокочастотной и сверхвысокочастотной аппаратуры для надежного отделения ВЧ или СВЧ сигнала от токов смещения при сверхбольших значениях dv/dt, что существенно усложняет реализацию способа. Существенным недостатком способов [1] и [2] является то, что частотный диапазон, в котором могут быть найдены параметры МДП-структур, определяется не частотным диапазоном работы применяемых радиотехнических устройств, а диапазоном частот, на 1-2 порядка меньшим. Это обусловлено тем обстоятельством, что в способах [1] и [2] всегда используются два независимых модулирующих состояния структуры сигнала (сигнал смещения и высокочастотный тестовый сигнал), разнесенные по диапазону частот не менее чем на 1-2 порядка. А так как измерения параметров МДП-структур проводятся именно в диапазоне частот изменения сигнала смещения, то это и уменьшает на 1-2 порядка диапазон частот, в котором используемая аппаратура реализует известные способы [1] и [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ определения изгиба зон в полупроводнике, описанный в [3]. Сущность способа заключается в приложении к МДП-структуре модулирующего импульса напряжения прямоугольной формы амплитудной Vа и регистрации напряжения на нагрузочной емкости Cн, включенной последовательно с МДП-структурой. При этом поверхностный изгиб зон s полупроводника выражается через напряжение Vн на нагрузочной емкости Cн, амплитуду модулирующего импульса Vа, емкость диэлектрика МДП-структуры Cо и величину нагрузочной емкости Cн следующим образом: s = Vа - Vн(1+Cн/Cо) (1) Основным недостатком данного способа является то, что он не позволяет непосредственно определить зависимость изгиба зон от модулирующего напряжения s(Va), так как в способе [3] s вычисляется лишь косвенным путем на основании измерений Vа, Vн и отношения Cн/Cо в соответствии с (1). Это приводит, во-первых, к большой погрешности определения величины s (при малых s), которая может существенно (на порядок и более) превышать погрешность измерения входящих в выражение (1) величин, так как s находится как разность близких друг к другу величин; во-вторых, существенно усложняет процедуру определения s, так как требует проведения вычислительных операций; в-третьих, не обеспечивает достаточной экспрессности за счет невозможности непосредственного получения и простой интерпретации результатов измерений.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением - получение возможности непосредственно регистрировать зависимости изгиба зон полупроводника s(Va) от модулирующего МДП-структуру напряжения Vа, с различной скоростью его изменения, а также увеличение точности и повышение экспрессности определения s(Va). Этот результат достигается тем, что в качестве модулирующего напряжения используют напряжение пилообразной формы и определяют зависимость s от величины модулирующего напряжения Vа по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения.

Для доказательства соответствия предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень" отметим, что признак "зависимость s(Va) от величины модулирующего напряжения Vа по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и объединяющей структуру основными носителями заряда полуволн пилообразного модулирующего напряжения" в известных технических решениях нами не обнаружен.

Покажем, как в способе реализуется возможность непосредственного определения зависимости s от величины модулирующего напряжения Vа. Это оказывается возможным благодаря компенсации части сигнала, снимаемого с нагрузочной емкости Cн при обеднении МДП-структуры основными носителями заряда, компенсирующим напряжением, которое представляет из себя модулирующее напряжение Vа, уменьшенное в (1+Cн/Cо) раз. При этом, как показывает анализ способа с использованием выражения (1), получаем следующее выражение для изгиба зон s: При этом компенсирующее напряжение, равное Vа/(1+Cн/Cо), как показывает эксперимент, формируется в предлагаемом способе на нагрузочной емкости Cн при подаче на МДП-структуру полуволн пилообразного напряжения, обогащающего ее основными носителями заряда. Так, например, для полупроводника p-типа проводимости обогащающее напряжение имеет отрицательную величину, а для полупроводника n-типа - положительную величину. Таким образом, как это хорошо видно из (2) величина s непосредственно определяется по величине сигнала Vн, являющейся разностью между компенсирующим напряжением и сигналом с нагрузочной емкости Cн. Абсолютная величина s, как это видно из (2), отличается от Vн в постоянное число раз, равное (1+Cн/Cо), а сама величина (1+Cн/Cо) является просто масштабным коэффициентом. По этой причине непосредственно измеряемая величина Vн и зависимость ее от модулирующего напряжения Vа с учетом масштабного коэффициента полностью тождественна величине поверхностного изгиба зон s и зависимости s от Vа. Непосредственная регистрация зависимостей s(Va) позволяет существенно расширить применение способа, позволяя проводить экспрессный контроль качества технологического процесса изготовления МДП-структур и определение ряда важнейших параметров МДП-структур, таких, как плотность поверхностных состояний Nss, плотность встроенного заряда, генерационное и объемное время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Отметим, что в известных работах [1-3] величина s обычно рассчитывается, причем наиболее простое соотношение используется в [3], но так как s является разностью двух больших и близких друг к другу величин (см. выражение (1)), погрешность ее определения оказывается достаточно большой величиной (приблизительно 20% и более).

Предложенный нами компенсационный метод непосредственной регистрации зависимости s(Va) существенно уменьшает погрешность определения величины s, которая определяется классом используемых измерительных приборов и может составлять 2-4%.

Рассмотрим один из вариантов реализации предлагаемого способа. В этом варианте компенсирующее напряжение получается (формируется) за счет использования емкостного моста, в одно из плеч которого включена МДП-структура с нагрузочной емкостью Cн, а в другое плечо - эталонная переменная емкость Cэ, которая может принимать значение, равное Cо, с нагрузочной емкостью Cн, причем . Подавая на одну диагональ моста пилообразное напряжение Vа, а в другую диагональ включив регистрирующее устройство, имеющее прямой и противофазный вход (например, осцилограф), можно непосредственно регистрировать зависимости s(Va) МДП-структуры (см. фиг. 1). Здесь: 1 - емкостная мостовая схема, состоящая из емкости МДП-структуры (CМДП), нагрузочных емкостей , в качестве которых удобно использовать магазины емкостей, и эталонная емкость Cэ, равная емкости Cо МДП-структуры; 2 - генератор пилообразного напряжения (например, типа Г6-15); 3 - источник постоянного напряжения смещения (например, Б5-43); 4 - запоминающий осцилограф типа С8-13, используемый в качестве регистрирующего устройства.

Рассмотрим еще один более простой вариант реализации предлагаемого способа (фиг. 2), в котором компенсирующее напряжение формируется за счет фиксированного ослабления пилообразного напряжения Vа на штатном входном делителе (ослабителе) регистрирующего устройства, например на противофазном входе осцилографа 4 - вход II (1:100). При этом на синфазный вход осцилографа 4 подается сигнал с нагрузочной емкости Cн, включенный последовательно с МДП-структурой. В этом варианте реализации способа сначала задается фиксированный масштабный коэффициент ослабления (например, 1:100) пилообразного напряжения Vа, а затем так изменяется величина Cн, чтобы величина (1+Cн/Cо) равнялась выбранному масштабному коэффициенту деления (1:100). Выбор Cн при этом легко осуществить путем перевода МДП-структуры в режим обогащения, подавая на нее полуволну пилообразного напряжения, обогащающую ее основными носителями заряда, и изменяя величину Cн до тех пор, пока сигнал на экране осцилографа не станет равным нулю, т.к. именно в состоянии обогащения МДП-структуры CМДП = Cо.

После этого на МДП-структуру подается полуволна пилообразного напряжения, обедняющая ее носителями заряда, и на экране осцилографа регистрируется зависимость s(Va). Отсчет величины s/ производится непосредственно с экрана осцилографа с учетом коэффициента деления входного делителя противофазного входа осцилографа.

В качестве примера, иллюстрирующего возможность применения предложенного способа непосредственного измерения и регистрации зависимостей s(Va), рассмотрим результаты практического использования способа для структур Al-SiO2-Si для измерения плотности заряда поверхностных состояний (Nss). Нами исследовались МДП-структуры на p-Si (КДБ-1) с диэлектриком SiO2 толщиной 100 нм, полученным окислением кремния в сухом кислороде (T = 1150oC). Круглые электроды диаметром 0,64 мм получались путем термического напыления Al в вакууме через металлическую маску. Последовательность действий при реализации способа была следующая: 1. В регистрирующем устройстве (осцилограф С8-13) устанавливаем коэффициент ослабления входного делителя входа II равным 100, т.е. осуществляем деление модулирующего напряжения в отношении 1:100.

2. Подаем на МДП-структуру полуволну пилообразного напряжения, соответствующую ее переводу в режим обогащения, а сигнал с нагрузочной емкости Cн, включенной последовательно с МДП-структурой, подаем на вход I осцилографа и устанавливаем ослабитель этого входа в положении 1:1, причем выбираем величину Cн такой, чтобы сигнал на экране осцилографа был равен нулю.

3. Подаем полуволну пилообразного обедняющего напряжения на МДП-структуру и вход II осцилографа и регистрируем на экране осцилографа зависимость s(Va), причем величину s определяем по положению входных делителей входа II осцилографа.

4. Устанавливаем в зависимости от целей эксперимента требуемые скорости изменения пилообразного напряжения на прямом (напряжение изменяется в сторону обеднения структуры) и обратном (напряжение изменяется в сторону обогащения) ходу, а также требуемые времена выдержки структуры в обеднении в конце прямого хода модулирующего напряжения.

Отметим, что для различных скоростей изменения пилообразного напряжения получаются разные зависимости s(Va). Эти особенности зависимостей s(Va) и позволяют определять ряд важных параметров МДП-структур.

Основной критерий выбора скорости заключается в сопоставлении s(Va) для прямого и обратного хода развертки пилообразного напряжения с точки зрения их неравновесности и зависимости от . Так как прямой ход зависимости s(Va) должен быть полностью неравновесен, то увеличивают до тех пор, пока положение прямого хода зависимости s(Va) не перестанет изменяться при увеличении .

Для обратного хода, т.к. он должен быть полностью равновесным, реализуется обратная ситуация, а именно уменьшают до тех пор, пока положение обратной ветви зависимости s(Va) не перестанет изменяться при уменьшении . Равновесную зависимость s(Va) можно зарегистрировать и на прямом ходу развертки при значительном уменьшении .

Т. к. конкретный диапазон значений величины определяется параметрами измеряемой МДП-структуры, то он определяется опытным путем и заранее в конкретных цифрах не может быть указан.

Отметим, что при различных скоростях изменения пилообразного напряжения на МДП-структуре необходимо обеспечить выполнение условия, чтобы постоянная времени входной цепи регистрирующего устройства = Rвх. Cн была по крайней мере на порядок больше длительности прямого или обратного хода пилообразного напряжения. Для быстрых разверток это условие легко выполняется, так как = 106Ом10-9ф = 10-3c. Для медленных разверток (примерно 1 с) использовался повторитель на входе регистратора с высоким входным сопротивлением Rвх=1010 - 1012 Ом.

При определении плотности поверхностных состояний, поверхностного фиксированного заряда, плотности перезаряжающихся ловушек в диэлектрике проводят сопоставление зависимостей s(Va), полученных при различных скоростях изменения пилообразного напряжения. В качестве примера на фиг. 3 приведены такие зависимости для прямого хода. При этом различают равновесные зависимости s(Va), измеренные на малых скоростях изменения пилообразного напряжения, подаваемого на МДП-структуру (зависимости 1), и сугубо неравновесные, измеренные на сверхбольших (зависимости 2). Видно, что в области обедняющих потенциалов равновесная зависимость 1 смещена относительно зависимости 2 по оси напряжений. Этот сдвиг обусловлен вкладом заряда перезаряжающихся поверхностных состояний при медленном изменении напряжения смещения. Такой вклад отсутствует для зависимости 2, для которой заряд на поверхностных состояниях практически постоянен (заморожен) из-за высокой скорости изменения напряжения. Используя зависимости 1 и 2, приведенные на фиг. 3, можно достаточно просто определить величину Nss.

Существенным достоинством предложенного способа является простота его практической реализации. Измерение параметров МДП-структур не требует применения специальной широкополостной ВЧ или СВЧ аппаратуры, так как в способе непосредственно измеряется такой важный физический параметр, как изгиб зон или поверхностный потенциал полупроводника s(Va), это значительно облегчает и ускоряет обработку результатов измерений по известным моделям, в которых используется для расчета изгиб зон или поверхностный потенциал.

Важное преимущество данного способа заключается также в том, что благодаря отсутствию высокочастотного сигнала, по которому обычно определяют состояние МДП-структуры [1, 2], в способе само напряжение модуляции является одновременно тестовым сигналом, по которому определяется состояние МДП-структуры, а именно величина изгиба зон, которая определяется непосредственно.

На основании вышеизложенного считаем предлагаемый способ эффективным средством контроля параметров МДП-структур, следовательно он может быть рекомендован для широкого применения при производстве полупроводниковых приборов и различных интегральных схем на базе МДП-структур, т.к. он может повысить точность и обеспечить экспрессность контроля качества их изготовления.


Формула изобретения

Способ определения поверхностного изгиба зон полупроводника s в МДП-структурах, включающий подачу на МДП-структуру модулирующего напряжения и регистрацию сигнала на нагрузочной емкости, включенной последовательно с МДП-структурой, отличающийся тем, что в качестве модулирующего напряжения используют пилообразное напряжение и определяют зависимость s от величины модулирующего напряжения по разности сигналов на нагрузочной емкости от воздействия на МДП-структуру обогащающей и обедняющей структуру основными носителями заряда полуволн модулирующего напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиационной испытательной технике и может быть использовано при проведении испытаний полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем (ИС) на стойкость к воздействию импульсного ионизирующего излучения (ИИИ)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании и производстве тиристоров

Изобретение относится к электронике и при использовании позволяет повысить точность контроля заданной величины отрицательного дифференциального сопротивления за счет изменения соотношения глубины положительных и отрицательных обратных связей в элементе с регулируемыми напряжениями и токами включения и выключения

Изобретение относится к технике контроля параметров полупроводников и предназначено для локального контроля параметров глубоких центров (уровней)

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может найти применение в электронной технике для измерения напряжений на диэлектрике и полупроводнике, а также их временного изменения в МДПДМ-структурах

Изобретение относится к области тестирования и измерения параметров полупроводниковых приборов

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном контроле качества и для оценки их температурных запасов

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения электрофизических параметров материалов, и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых материалов, в частности полупроводниковых пластин

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля полярности выводов светодиодов

Изобретение относится к области теплового неразрушающего контроля силовой электротехники, в частности тиристоров тиристорных преобразователей, и предназначено для своевременного выявления дефектных тиристоров, используемых в тиристорных преобразователях, без вывода изделия в целом в специальный контрольный режим
Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на надежность и может использоваться для ускоренных испытаний полупроводниковых фотоприемников, например фотодиодов для прогнозирования их надежности в процессе длительной эксплуатации

Изобретение относится к производству и эксплуатации интегральных схем (ИС)

Изобретение относится к области производства и эксплуатации интегральных схем (ИС)

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при производстве и использовании полупроводниковых приборов и устройств на основе эффекта Ганна

Изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к способам измерения параметров сверхпроводящих материалов, в частности, критического тока

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов радиоэлектронной аппаратуры, в частности полупроводниковых диодов, и предназначено для контроля качества изделий электронной техники и для оценки их температурных запасов

Изобретение относится к области измерения и контроля электрофизических параметров и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур

Наверх