Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах

 

Изобретение относится к измерению и контролю электрофизических параметров полупроводников и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур. Способ заключается в том, что на МДП-структуру подают напряжение смещения U_см и обедняющие импульсы напряжения U₁ и U₂ ≥ 2U₁, совмещают по времени импульсы U₁ и U₂ и из разности их амплитуд получают третий импульс U₃, измеряют на них интегральные емкости C₁, C₂ и C₃ соответственно, а напряжение плоских зон МДП-структур определяют по U_см при выполнении условия: 1/С₁ + 1/C₂ = 1/С₃. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - получение возможности просто при непосредственной регистрации U_см = U_FB, без сложных расчетов определять U_FB с высокой точностью (до 1,0%) в широком диапазоне концентраций легирующей примеси в полупроводнике (N ~ 10¹¹ - 10¹⁸ см^-3), толщин диэлектрика МДП-структуры (d ~ 0,01 - 1 мкм), плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник (N ~ 10¹¹ эВ^-1 см^-2). Способ может быть выполнен на стандартной радиоизмерительной аппаратуре. Измерение емкости области пространственного заряда полупроводника в режиме плоских зон дает возможность по известному соотношению определить уровень легирования полупроводника. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области 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.

Напряжение плоских зон U_FB является одним из основных и широко используемых параметров МДП-структур, величина которого определяется суммарной плотностью зарядов (Q_ф) в диэлектрике и на границе раздела диэлектрик-полупроводник. В свою очередь величина Q_ф полностью определяется физическими свойствами диэлектрика и полупроводника и особенностями технологического процесса изготовления приборов.

В настоящее время для исследований свойств МДП-структур и, в частности, для определения U_FB, широко используется метод вольтфарадных характеристик (ВФХ) [1]. Однако в этом случае для определения U_FB необходимо сопоставление теоретических (расчетных) и экспериментальных ВФХ, что, во-первых, не обеспечивает экспрессности измерений, и, во вторых, не всегда возможно, так как для экспериментальных МДП-структур в ряде случаев не выполняются условия, необходимые для расчета теоретических ВФХ (например, наличие утечек в диэлектрике и большая плотность поверхностных состояний и ловушек на границе диэлектрик-полупроводник не позволяет с достаточной точностью вычислять концентрацию легирующей примести в полупроводнике и завышает величину емкости структуры в режиме плоских зон).

Известен способ определения U_FB при освещении МДП-структуры импульсами света из области собственного поглощения полупроводника [2]. Сущность способа заключается в подаче и регистрации на МДП-структуре такого напряжения смещения U_см, при котором сигнал фото-эдс при освещении МДП-структуры принимает минимальное значение.

Недостатками данного способа являются: необходимость специальной оптической системы и источника света определенной длины волны излучения; невозможность определения U_FB для непрозрачных для света МДП-структур (образцы с непрозрачными электродами в закрытых корпусах); искажение минимального сигнала фото-эдс за счет перезарядки поверхностных состояний (ПС) светом - это затрудняет определение U_FB, особенно при концентрации ПС больших N ~ 10¹¹ эВ^-1 см^-2 За прототип выбран способ определения U_FB, описанный в [3].

Для определения напряжения плоских зон используется простая мостовая схема измерения емкости, которая балансируется одновременно по двум сигналам - малому высокочастотному тестовому сигналу и большому сигналу обедняющего импульса U₁ при подаче на структуру постоянного напряжения смещения U_см, величина которого может изменяться. При этом определяется соответственно дифференциальная (C_n) и интегральная (C₁) емкости МДП-структуры.

В режиме плоских зон, как показывают расчеты, должно выполняться соотношение: C₁ = 2C_n. Напряжение смещения, при котором выполняется это соотношение, и будет являться напряжением U_FB.

Недостатком данного способа является необходимость измерения в нем дифференциальной емкости, которую измеряют на малом тестовом сигнале амплитудой порядка KT/q (30-50 мВ), где K - постоянная Больцмана, T - температура МДП-стурктуры, q - заряд электрона). Это накладывает высокие требования к чувствительности применяемой измерительной техники. Кроме того, можно показать, что чувствительность дифференциальной и интегральной емкости по отношению к отклонению МДП-структуры от режима U_FB различная. Так, например, при обедняющих импульсах напряжения, создающих изгиб зон Ψ_S ≃ 80 KT/q(~2,0 B) и при отклонении начального изгиба зон от состояния плоских зон на 2 KT/q (~50 мВ) C₁ и C_n изменяются на 14,5% и 1,3% соответственно. При одном и том же U_см ≠ U_FB (вблизи Ψ_S = 0) дифференциальная емкость изменяется в десять раз меньше, чем соответствующая интегральная. Это, в конечном счете, приводит к значительному уменьшению точности определения U_FB (~10%), особенно для структур с высокой плотностью поверхностных состояний, которые делают вклад в измеряемую дифференциальную емкость.

В таблице 1 и 2 приведены величины относительного изменения (в процентах) интегральной и дифференциальной емкости. Расчеты сделаны для фиксированных начальных отклонений плоских зон: U_см = U_FB на величину
для обедняющих импульсов напряжения, создающих изгиб зон в полупроводнике Ψ_S = (40, 80, 120, 160, 200) KT/q.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, увеличение точности определения U_FB в широком диапазоне значений концентрации легирующей примеси в полупроводнике (N ~ 10¹¹ - 10¹⁸ см^-3) и при высокой плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник.

N_ss ≥ 10¹¹ эВ^-1 см^-2
Этот результат достигается тем, что в известном способе на МДП-структуру подают дополнительно второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой U₂ ≥ 2U₁, совмещают во времени первый и второй импульсы, а из разности их амплитуд получают третий импульс U₃, измеряют интегральные емкости C₂ и C₃ соответственно, и напряжение U_FB МДП-структуры определяют по напряжению смещения U_см при выполнении условия:
1/C₁ + 1/C₂ = 1/C₃
Покажем, что условие (1) выполняется только в режиме плоских зон, т.е. при U_см = U_FB.

Интегральная емкость C, соответствующая приложению к структуре обедняющего импульса напряжения достаточно большой амплитуды (U >> KT/q), может быть определена как отношение приращения заряда Q ( Ψ_S ) ОПЗ полупроводника к соответствующему приращению поверхностного изгиба зон Ψ_S , т.е.

Используя известные соотношения для дифференциальной емкости C_n и заряда ОПЗ Q, имеем:
C_n = (qNε_n/2Ψ_S)^1/2 (3)
C_n = ε_n/W Q = qNW (4)
И учитывая, что в точке плоских зон C = 2Cn получаем:

Тогда выражение (1) можно переписать в виде:

т.к. Q₂ = Q₁ =
Таким образом, выражение (1) доказано.

Для оценки чувствительности способа по сравнению с прототипом воспользуемся для интегральной емкости C' и дифференциальной емкости C'_n при начальных изгибах зон , от которых подаются обедняющие импульсы напряжения не равные нулю, т.е. и U_см ≠ U_FB, где C, C_n - значения емкостей при U_см = U_FB.

Результаты расчетов приведены в таблицах 1 и 2. Из них видно, что при U_см ≠ U_FB интегральная емкость изменяется примерно в десять раз больше, чем дифференциальная емкость, и поэтому такое изменение можно регистрировать с большей точностью. На фиг. 1 приведены эпюры подаваемых на МДП-структуру обедняющих импульсов напряжения U₁, U₂ и U₃. Из фиг. 1 видно, что импульс U₃ получают от верхнего уровня значения величины амплитуды первого импульса, до верхнего уровня значения величины амплитуды второго импульса, т.е. по своей амплитуде импульс U₃ равен разности амплитуд U₂ - U₁. Это сделано для того, чтобы выполнить условие жесткой связи между C₁, C₂ и C₃, для U_см = U_FB. Для того, чтобы обеспечить условие интегральности измеряемой емкости C₃, U₂ выбирают исходя из выполнения условия U₂ ≥ 2U₁.

Так как соотношение (1) относится к ОПЗ полупроводника, то с учетом емкости диэлектрика C₀ МДП-структуры можно записать следующие выражения для интегральной емкости C_к МДП-структуры:


На фиг. 2 приведена схема простого устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ определения U_FB.

Здесь:
1 - емкостная мостовая схема, состоящая из емкости МДП-структуры (C_МДП), нагрузочных емкостей C_н1 = C_н2, магазинов емкостей M₁, M₂ - состоящего из M'₂ и M''₂. M₁ и M₂ состоят из набора эталонных емкостей C_эт.

2 - генератор прямоугольных импульсов типа Г5-56.

3 - источник постоянного напряжения смещения (например Б5-43)
4 - регистрирующее устройство - осциллограф типа C1-70.

5 - сдвоенный переключатель П5 для переключения магазинов емкостей M₁, M'₂ и M''₂.

Из сопоставления выражений (9) и (10) видно, что реализацию соотношения (1) между емкостями C₁, C₂ и C₃ легко осуществить, используя емкостную мостовую схему (фиг. 2), в одно из плеч которой включена МДП-структура с емкостью C_МДП и нагрузочной емкостью C_н, а во второе плечо - два последовательно включенных магазина емкостей M₁ и M₂, и соответственно с нагрузочной емкостью C_н1 = C_н2. Магазин M₁ служит для установки баланса емкости C₀, а M₂ состоит из двух независимых магазинов емкостей M'₂ и M''₂ для C₁ и C₂ соответственно. В режиме плоских зон мостовая схема будет уравновешена на импульсе U₁ для емкости C₁, на импульсе U₂ для емкости C₂ и на импульсе U₃ для емкости C₃, которую получают путем последовательного соединения магазинов емкостей M'₂ и M''₂. Переключатель П5 находится в положении 4 (см. фиг. 2).

Последовательно действий при определении U_FB следующая:
Включают МДП-структуру в одно из плеч моста, а во второе плечо моста включают последовательно-включенные магазины M₁ и M₂. На магазине M₁ устанавливают емкость C_эт, равную C₀ (П5 в положении 1), а на магазине M₂ устанавливают емкость C_эт = C₁ (П5 в положении 3), при последовательном соединении магазинов M'₂ и M''₂, (П5 находится в положении 4), на магазине M₂ устанавливают емкость, равную C₃.

Подают напряжение смещения U_см на МДП-структуру.

Падают на структуру обедняющие импульсы напряжения:
U₁ > 100 KT/q ≃ 2,5 B, U₂ ≃ 5B.

Отметим, что длительность Δt_имп обедняющих импульсов U₁ и U₂, подаваемых на МДП-структуру, так же как и в прототипе, выбирают исходя из условия сохранения состояние обеднения в структуре после подачи обедняющего импульса. Постоянная времени релаксации t_рел состояния обеднения для большинства исследуемых структур определяется генерационно-рекомбинационными параметрами полупроводника, и обычно находится в диапазоне 0,1 - 10 сек. Можно использовать соотношения для Δt_имп ≅ t_рел/20. Предлагается использовать Δt_{имп u} = 1 - 10 мкс, при частоте следования:
f = 10 - 50 кГц. Поэтому t_рел можно пренебречь.

Совмещаем во времени первый и второй импульсы напряжения и из разности их амплитуд получаем третий импульс U₃.

Отметим, что интервал времени t между импульсами U₁ и U₂ задаем t < t_ф, где t_ф - длительность фронта импульса. Т.к. для стандартных генераторов типа Г5-56 t_ф < 10 нс, то этой величиной по сравнению с Δt_имп можно пренебречь.

Изменяем значения емкостей в магазине M'₂ и M''₂ до получения условия баланса моста на импульсах U₁ и U₂ соответственно.

Находим такое U_см, при котором при последовательном соединении M'₂ и M''₂ на импульсе U₃ баланс моста не нарушается. Это будет выполняться при U_см = U_FB, так как в этом случае выполняется условие (1). Таким образом, изменяя напряжение U_см регистрируют условие, при котором переключение магазинов емкостей из положений, соответствующих емкостям C₁ и C₂, на положение, соответствующее емкости C₃, не нарушает баланса моста. При этом
U_FB = U_см.

Существенным достоинством предложенного способа является простота определения U_FB, при регистрации U_см = U_FB непосредственно. Способ позволяет без всяких расчетов определять U_FB с высокой точностью ( ~1%) в широком интервале концентрации легирующей примести в полупроводнике (N ~ 10¹¹ - 10¹⁸ см^-3), толщин диэлектрика МДП-структуры (d ~ 0,01 - 1 мкм), плотности поверхностных состояний границы раздела диэлектрик-полупроводник (N ~ 10¹¹ эВ^-1 см^-2).

Способ не требует для своей реализации знания параметров полупроводника и диэлектрика, не требует специальных образцов для измерения. Способ может быть реализован на стандартной радио-измерительной аппаратуре. По сравнению с прототипом в нем отсутствует малосигнальный тестовый импульс, и это позволяет значительно повысить точность определения U_FB (в 2 - 3 раза) и уменьшить требования к чувствительности измерительной регистрирующей аппаратуре.

Литература:
[1] Zaininger K.H., Heiman F.P. - The Technique as an Analytical Tool - Solid State Technology Vol. 13 (1973) N 6 p. 47-55.

[2] Yun B. H. - Direct measurement of flat-bend voltage in MOS by infrared exception.

Applied Physics letters Vol. 21 (1972) N 5 p. 194-195.

[3] Бородзюля В. Ф., Голубев В.В. - Методы электрического тестирования заряда в диэлектрике и на поверхностных состояниях в МДП-структурах. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием. "Диэлектрики - 93" Часть 2, стр. 100.

Формула изобретения

Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в МДП-структурах, включающий подачу и регулирование постоянного напряжения смещения, подачу на структуру обедняющего импульса напряжения, называемого первым, и измерение на нем интегральной емкости области пространственного заряда полупроводника, отличающийся тем, что на МДП-структуру дополнительно подают второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой, равной или большей удвоенной амплитуды первого обедняющего импульса, совмещают во времени первый и второй обедняющие импульсы, дополнительно измеряют интегральные емкости на втором обедняющем импульсе и на разности первого и второго обедняющих импульсов, называемой третьим импульсом, а напряжение плоских зон МДП-структуры определяют по напряжению смещения при выполнении условия
1/С₁ + 1/С₂ = 1/С₃,
где С₁ - интегральная емкость на первом импульсе;
С₂ - интегральная емкость на втором импульсе;
С₃ - интегральная емкость на третьем импульсе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3