Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в металл-диэлектрик-полупроводник-структурах

 

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 металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)-структур. Способ заключается в том, что на МДП-структуру подают напряжение смещения U_см и обедняющие импульсы напряжения U₁ с амплитудой, равной 4ε_nqN/C²₀, где ε_n- диэлектрическая постоянная полупроводника, N - уровень легирования полупроводника, q - заряд электрона, С₀ - емкость диэлектрика МДП-структуры, а напряжение плоских зон находят по напряжению смещения, при котором сигнал на нагрузочной емкости уменьшается в два раза по сравнению с сигналом на ней при подаче обедняющего импульса на МДП-структуру, находящуюся в состоянии обогащения. 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%) при уменьшении сигнала на нагрузочной емкости в два раза. Способ может быть выполнен на стандартной радиоизмерительной аппаратуре.

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 широкоиспользуемых 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 исследования свойств МДП-структур, в частности для определения U_FB, широко используется метод вольт-фарадных 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 примеси 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 фотоЭДС 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 фотоЭДС за счет перезарядки поверхностных состояний (ПС) светом - это затрудняет определение U_FB, особенно при концентрации ПС больших N~10¹¹ эВ^-1•см^-2.

Известен способ определения U_FB путем измерения интегральных емкостей МДП-структуры [3] . U_FB определяется по напряжению смещения при выполнении условия: 1/C₁+1/C₂=1/C₃, где C₁, С₂, С₃ - интегральные емкости МДП-структуры на первом, втором и третьем обедняющих импульсах соответственно Недостатком данного способа является необходимость изготовления специального измерительного устройства для его реализации.

За прототип выбран способ определения U_FB, описанный в [4].

Для определений 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 (С_п) и интегральная (C₁) емкости МДП-структуры.

В режиме плоских зон, как показывают расчеты, должно выполняться соотношение: C₁=2С_п. 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, Т - температура МДП-структуры, q - заряд электрона). Это накладывает высокие требования к чувствительности применяемой измерительной техники. Кроме того, недостатком данного способа является необходимость применения специального устройства для измерения дифференциальной и интегральной емкости МДП-структуры.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - увеличение точности определения U_FB за счет использования только большого сигнала обедняющего импульса напряжения, а также упрощения устройства, реализующего способ. Этот результат достигается тем, что в известном способе выбирают амплитуду обедняющего импульса равной 4ε_nqN/C²₀, где ε_n - диэлектрическая постоянная полупроводника, N - уровень легирования полупроводника, q - заряд электрона, С₀ - емкость диэлектрика МДП-структуры, а напряжение плоских зон находят по напряжению смещения, при котором сигнал на нагрузочной емкости уменьшается в два раза по сравнению с сигналом на ней при подаче обедняющего импульса на МДП-структуру, находящуюся в состоянии обогащения.

Покажем, что условие уменьшения сигнала на нагрузочной емкости в два раза выполняется только в режиме плоских зон, т.е. при U_см=U_FB. При этом обедняющий импульс напряжения U₁ делится пополам между емкостью диэлектрика С₀ и емкостью полупроводника С МДП-структуры. Рассмотрим распределение напряжения на МДП-структуре при подаче на нее обедняющего импульса напряжения U₁. На основании условия электронейтральности МДП-структуры для момента времени, соответствующему скачку напряжения (t=0), можно записать следующие соотношения для приращения заряда на металлическом электроде (Q_M), заряда области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника (Q_SC) и заряда в диэлектрике (Q₀) с пренебрежением изменением заряда в инверсионном слое, на ловушках в диэлектрике и на границе раздела: Q_M=Q_SC=Q₀. (1) В свою очередь Q_SC=qNW, (2) где W - приращение ширины ОПЗ полупроводника
Q₀=С₀U₀, (3)
где U₀ - падение напряжения в диэлектрике
С₀U₀=qNW. (4)
Для приращения ширины ОПЗ (W) в момент подачи на структуру импульса напряжения U₁

где и Ψ_S - изгибы зон в полупроводнике до и после приложения к структуре импульса напряжения U₁ соответственно. Для Ψ_S справедливо следующее выражение:

Используя выражения (4), (5), (6) и учитывая, что в точке плоских зон , можно получить следующее выражение для распределения обедняющего импульса напряжения U₁ в МДП-структуре:
U₀ = 2ε_nqN/C²_o(U₁/U₀-1) (7)
Анализ выражения (7) позволяет сделать вывод о том, что именно при U₁/U₀= 2 приложенный к МДП-структуре обедняющий импульс напряжения поделится в ней пополам, т.к. U₁=2U₀=U₀+Ψ_S, следовательно U₀=Ψ_S, это будет выполняться при U₀ = 2ε_nqN/C²_o и U₁ = 4ε_nqN/C²_o, при U_см=U_FB, т.к. выражение (7) действительно при =0.

Как видно из выражения (7), для реализации предложенного способа определения U_FB необходимо измерять U₀ МДП-структуры. Падение напряжения в диэлектрике U₀ может быть легко определено по сигналу на нагрузочной емкости С_н, включенной последовательно с МДП-структурой. Для того чтобы уменьшить погрешность измерения U₀, выбирают С_н≥100 С₀, тогда U₀=С_н/С_оU_н. Сигнал на нагрузочной емкости может быть измерен любым прибором, например осциллографом или импульсным вольтметром. При приложении обедняющего импульса напряжения U₁ к МДП-структуре, находящейся в состоянии сильного обогащения, все приложенное напряжение будет падать на емкости диэлектрика С₀ МДП-структуры, т.к. в этом случае следовательно U₀=U₁. Сигнал на нагрузочной емкости при этом будет равен U_н=U₁C₀/С_н.

По мере изменения U_см и приближению МДП-структуры к состоянию плоских зон в полупроводнике U_н уменьшится в два раза в соответствии с уменьшением U₀ в два раза. Отметим, что длительность Δt_имп обедняющего импульса U₁, подаваемого на МДП-структуру, так же как и в прототипе, выбирают исходя из условия сохранения обеднения в структуре, при подаче обедняющего импульса. Постоянная времени релаксации t_peл состояния обеднения для большинства исследуемых структур определяется генерационно-рекомбинационными параметрами полупроводника, и находится в диапазоне 0,1-10 с. Можно использовать соотношения для Δt_имп≤t_рел/20. Предлагается использовать Δt_имп = 1-10 мкс, при частоте следования f=10-50 кГц. Поэтому t_pел можно пренебречь.

Для МДП-структуры, изготовленной на кремнии КДБ-1 с диоксидом кремния толщиной 0,1 мкМ, площадью металлического электрода 1 мм², было определено напряжение плоских зон. Для расчета величины U₁ = 4ε_nqN/C²_o использовались следующие значения постоянных: ε_n = 1,04•10¹² ф/см², q = 1,6•10^-19 К, N = 2•10¹⁶ см^-3, С₀ = 340 нФ, С_н = 3,4•10⁴ нФ. Для вышеприведенных значений постоянных U₁=11,51 В. Для МДП-структуры в состоянии сильного обогащения _н= 115•10^-3 В. При достижении сигнала U_н=57,5•10^-3. В напряжение U_см=U_FB=2,45 В, причем при изменении U_см от состояния плоских зон на 2kT/q (~50 мВ) сигнал на нагрузке U_н изменяется на ~20%. Это позволяет с высокой точностью (~ 1%) регистрировать напряжения плоских зон в МДП-структурах.

Существенным достоинством предложенного способа является простота определения U_FB при регистрации U_см=U_FB непосредственно при уменьшении сигнала на нагрузочной емкости в два раза. Способ может быть реализован на стандартной радиоизмерительной 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 аппаратуры и значительно упростить устройство, реализующее способ.

Источники информации
1. Zaininger K. H. Heiman F.P. The Technique as an Analytical Tool // Solid State Technology, v.13, 1973, 6, p.47-55.

2. Yun В.Н. Direct measurement of flat-bend voltage in MOS by infrared exception // Applied Physics letters, v. 21, 1972, 5, р.194-195.

3. Патент РФ 2133999, H 01 L 21/66, 1999.

4. 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", С.-Пб., 22-24 июня 1993, ч. 2, с. 100.

Формула изобретения

Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в металл-диэлектрик-полупроводник(МДП)-структурах, включающий подачу на МДП-структуру и регулирование постоянного напряжения смещения, подачу на структуру обедняющего импульса напряжения и регистрацию сигнала на нагрузочной емкости, включенной последовательно с МДП-структурой, отличающийся тем, что амплитуду обедняющего импульса напряжения выбирают равной 4ε_nqN/C²₀, где ε_n - диэлектрическая постоянная полупроводника, N - уровень легирования полупроводника, q - заряд электрона, С₀ - емкость диэлектрика МДП-структуры, а напряжение плоских зон находят по напряжению смещения, при котором сигнал на нагрузочной емкости уменьшается в два раза по сравнению с сигналом на ней при подаче обедняющего импульса на МДП-структуру, находящуюся в состоянии обогащения.