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 Uсм и обедняющие импульсы напряжения U1 с амплитудой, равной 4nqN/C20, где 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 Uсм=UFB, без сложных расчетов определять UFB 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 UFB является одним из основных и широкоиспользуемых параметров МДП-структур, величина которого определяется суммарной плотностью зарядов (Qф) в диэлектрике и на границе раздела диэлектрик-полупроводник. В свою очередь величина Qф 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 UFB, широко используется метод вольт-фарадных характеристик (ВФХ) [1]. Однако, в этом случае для определения UFB 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 UFB 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 Uсм, 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 UFB 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 UFB, особенно при концентрации ПС больших N~1011 эВ-1см-2.

Известен способ определения UFB путем измерения интегральных емкостей МДП-структуры [3] . UFB 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 UFB, 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 Uсм, величина которого может изменяться. При этом определяется соответственно дифференциальная (Сп) и интегральная (C1) емкости МДП-структуры.

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

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 UFB 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 4nqN/C20, где 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 Uсм=UFB. 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 (QM), заряда области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника (QSC) и заряда в диэлектрике (Q0) с пренебрежением изменением заряда в инверсионном слое, на ловушках в диэлектрике и на границе раздела: QM=QSC=Q0. (1) В свою очередь QSC=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 S - изгибы зон в полупроводнике до и после приложения к структуре импульса напряжения U1 соответственно. Для 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 = 2nqN/C2o(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+S, следовательно U0=S, это будет выполняться при U0 = 2nqN/C2o и U1 = 4nqN/C2o, при Uсм=UFB, т.к. выражение (7) действительно при =0.

Как видно из выражения (7), для реализации предложенного способа определения UFB необходимо измерять U0 МДП-структуры. Падение напряжения в диэлектрике U0 может быть легко определено по сигналу на нагрузочной емкости Сн, включенной последовательно с МДП-структурой. Для того чтобы уменьшить погрешность измерения U0, выбирают Сн100 С0, тогда U0=Сн/СоUн. 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 Uн=U1C0/Сн.

По мере изменения Uсм и приближению МДП-структуры к состоянию плоских зон в полупроводнике Uн уменьшится в два раза в соответствии с уменьшением U0 в два раза. Отметим, что длительность tимп 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 tpeл состояния обеднения для большинства исследуемых структур определяется генерационно-рекомбинационными параметрами полупроводника, и находится в диапазоне 0,1-10 с. Можно использовать соотношения для tимпtрел/20. Предлагается использовать tимп = 1-10 мкс, при частоте следования f=10-50 кГц. Поэтому tpел 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 = 4nqN/C2o использовались следующие значения постоянных: n = 1,041012 ф/см2, q = 1,610-19 К, N = 21016 см-3, С0 = 340 нФ, Сн = 3,4104 нФ. Для вышеприведенных значений постоянных U1=11,51 В. Для МДП-структуры в состоянии сильного обогащения н= 11510-3 В. При достижении сигнала Uн=57,510-3. В напряжение Uсм=UFB=2,45 В, причем при изменении Uсм от состояния плоских зон на 2kT/q (~50 мВ) сигнал на нагрузке Uн изменяется на ~20%. Это позволяет с высокой точностью (~ 1%) регистрировать напряжения плоских зон в МДП-структурах.

Существенным достоинством предложенного способа является простота определения UFB при регистрации Uсм=UFB 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 UFB (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 4nqN/C20, где 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физике твердого тела и к физике магнитных явлений, в частности к мессбауэровской спектроскопии

Изобретение относится к области анализа материалов с помощью физических средств и может быть использовано в технологии изготовления микроэлектронных полупроводниковых приборов

Изобретение относится к устройствам для климатических испытаний готовых полупроводниковых приборов

Изобретение относится к устройствам внутренней дефектоскопии, а именно к средствам неразрушающего контроля, в частности к средствам контроля при производстве полупроводниковых и гибридных структур

Изобретение относится к неразрушающим способам диагностики структурного совершенства эпитаксиальных слоев кремния, выращенных на диэлектрических монокристаллических подложках, и может использоваться в технологии микроэлектроники для контроля дефектности приборных слоев интегральных схем или дискретных приборов, изготавливаемых на структурах типа "кремний на сапфире" (КНС)

Изобретение относится к устройствам, используемым в полупроводниковом производстве, и может быть применено для климатических испытаний готовых полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к неразрушающим способам диагностики структурного совершенства диэлектрических слоев, осажденных на проводящую или полупроводниковую подложку, и может использоваться в технологии микроэлектроники для контроля качества подзатворных диэлектриков, маскирующих, защитных или изолирующих слоев

Изобретение относится к области метрологии, а именно к метрологическому сопровождению технологии получения слитков полупроводникового кремния
Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов, в частности фотодиодов, применяемых в системах управления и ориентации, на стойкость к воздействию дестабилизирующих факторов внешней среды

Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию нейтронного излучения с энергией 14 МэВ по результатам испытаний на стойкость к гамма-нейтронному излучению реактора со средней энергией нейтронов (1,0-3,0) МэВ с использованием коэффициентов перерасчета, в частности фотодиодов, применяемых в системах управления и ориентации

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению высоты потенциального барьера диода с барьером Шоттки

Изобретение относится к области производства и эксплуатации интегральных схем и может быть использовано для их отбраковки с наличием загрязнений кристаллов в загерметизированных ИС, приводящих со временем к коррозии алюминиевой металлизации на кристалле

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к обеспечению качества и надежности полупроводниковых приборов за счет определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов, и может быть использовано как на этапе производства, так и применения

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к обеспечению надежности партий транзисторов за счет определения потенциально ненадежных приборов и может быть использовано как на этапе производства, так и применения

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и электроники

Изобретение относится к производству изделий микроэлектроники с применением субмикронной литографии, в частности для получения элементов структур субмикронных размеров на полупроводниковых и других подложках
Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к обеспечению качества и надежности транзисторов за счет определения потенциально нестабильных транзисторов

Изобретение относится к электрофизическим методам контроля параметров тонких подзатворных диэлектриков, в частности к методам контроля электрической прочности и долговечности подзатворного оксида МОП-транзистора

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для бесконтактного определения приповерхностного изгиба зон полупроводниковых образцов, включая пластины с естественным окислом или нанесенным диэлектриком, методом измерения контактной разности потенциалов между поверхностью и вибрирующим зондом Кельвина
Наверх