з
ГЛАВА 3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИОННОЛЕГИРОВАННЫХ МДП-СТРУКТУР МЕТОДОМ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК...........................................64
3.1. Моделирование вольт-фарадных характеристик МДП-структур
со сложны?/ профилем легирования полупроводника.............64
3.2. Вольт-фарадный метод контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем
легирования полупроводника..................................71
3.3. Экспресс-методика контроля энергетического спектра поверхностных состояний и зарядовых свойств
ионно-легированных МДП-структур ............................77
3.4. Выводы к главе 3...........................................81
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЛУКТУАЦИОННОГО И ПОВЕРХНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАНАРНО-НЕОДНОРОДНОГО МДП-ТРАНЗИСТОРА МЕТОДОМ ПОДПОРОГОВЫХ ТОКОВ...........................83
4.1. Модель вольт-амперных характеристик планарно-неоднородного МДП-транзистора в области слабой инверсии...................83
4.2. Методика определения флуктуационного и поверхностных параметров..................................................94
4.3. Выводы к главе 4...........................................99
ВЫВОДЫ..........................................................100
ЛИТЕРАТУРА......................................................102
ВВЕДЕНИЕ
4
Актуальность темы. Развитие микроэлектроники необходимо сопровождается разработкой электрофизических методов исследования базовых элементов интегральных схем (ИС). Прецизионные электрофизические методы, включающие измерения временных, полевых и температурных зависимостей емкостей и токов, явились основным средством исследования электрически активных дефектов в полупроводнике, на границе раздела диэлектрик-полупроводник и в диэлектрическом слое базовой микроэлектронной структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). При этом методы, первоначально разработанные для однородных МДП-структур, оказались недостаточно адекватными для контроля электрофизических параметров в планарногетерогенных и ионно-легированных структурах, отличающихся неоднородным распределением поверхностного потенциала и легирующей примеси. Возникла необходимость учета микронеоднородности распределения поверхностного потенциала и сложного профиля легирования полупроводника при определении энергетического спектра поверхностных состояний (ПС), эффективного поверхностного заряда, порогового напряжения и других электрофизических характеристик МДП-структур и приборов на их основе. Решение указанных проблем необходимо, чтобы обеспечить сочетание основных достоинств электрофизических методов - высокой чувствительности к обнаружению дефектов и возможности проведения исследований на тестовых структурах и непосредственно в рабочих элементах МДП ИС с достоверностью результатов, получаемых при интерпретации экспериментальных данных Еще одна актуальная проблема современной микроэлектроники -разработка бесконтактных, неразрушающих методов контроля зарядовых параметров диэлектрика и границы раздела диэлектрик-полупроводник. Наиболее удобным с этой точки зрения является метод вибрационного динамического конденсатора или метод Кельвина-Зисмана. Представляется актуальным также создание автоматизированных
5
установок для экспресс-контроля качества границы раздела диэлектрик-полупроводник на ранних стадиях производства МДП ИС.
Цель работы разработка электрофизических методов исследования энергетического спектра и зарядовых свойств планарно-неоднородных и ионно-легированных МДП-структур.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования.
1. Разработка методики контроля параметров границы раздела и планарных зарядовых флуктуаций в структуре диэлектрик-
полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора.
2. Разработка методики контроля электрофизических параметров ионнолегированных МДП-структур методом вольт-фарадных характеристик (ВФХ).
3. Разработка методики определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора методом
стационарных подпороговых вольт-амперных характеристик (ВАХ).
На защиту выносятся:
1. Методика спектроскопии поверхностных состояний (ПС) и определения параметров границы раздела в структуре диэлектрик-полупроводник с использованием метода вибрационного динамического конденсатора.
2. Методика исследования планарных зарядовых флуктуаций в структуре диэлектрик-полупроводник вибрационным конденсаторным методом
3. Вольт-фарадный метод контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования полупроводника.
4. Экспресс-методика контроля электрофизических и зарядовых параметров ионно-легированных МДП-структур.
5 Модель выходных и передаточных ВАХ планарно-неоднородного МДП-транзистора
6. Методика определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора по подпороговым ВАХ
6
Научная новизна.
1. Предложена методика спектроскопии ПС в структуре диэлектрик полупроводник вибрационным конденсаторным методом с
использованием модуляции поверхностного потенциала нагреванием или нанесением на внешнюю поверхность диэлектрика коронного разряда.
2. Разработана методика определения планарных зарядовых флуктуаций в структуре диэлектрик-полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора.
3. Предложена методика моделирования вольт-фарадных характеристик МДП-структур с произвольным профилем легирования полупроводника с помощью численного решения уравнения Пуассона методом пристрелки начальных условий, позволившая существенно повысить точность контроля электрофизических параметров таких структур вольт-фарадным методом.
4. Разработана экспресс-методика контроля энергетического спектра ПС и зарядовых свойств ионно-легированных МДП-структур, опирающаяся на аналитическое решение уравнения Пуассона для гауссовского профиля легирования полупроводника.
5. Впервые предложена модель выходных и передаточных ВАХ планарнонеоднородного МДП-транзисгора.
6. Разработана методика определения флуктуационного параметра, средней плотности поверхностных состояний и заряда окисла в планарно-неоднородном МДП-транзисторе по его подпороговым ВАХ.
Практическая значимость результатов работы Предложенные в настоящей работе методики контроля энергетического спектра ПС и планарной однородности зарядовых свойств структуры диэлектрик-полупроводник вибрационным конденсаторным методом дают возможность отбраковки пластин на начальной стадии технологического процесса изготовления МДП ИС, то есть до формирования затворов. Учёт сложного профиля легирования полупроводника при расчёте теоретических ВФХ
7
позволяет существенно повысить точность контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования полупроводника, в частности, ионно-легированных. Разработанная методика определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора по его выходным и передаточным ВАХ в области слабой инверсии позволяет контролировать указанные параметры непосредственно в готовых МДП-транзисторах.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в настоящей работе, докладывались на XXXI Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва. 2000).
Публикации. По материалаг/ диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 статей в »лестной и центральной научной печати и 3 доклада на научно-технических конференциях.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами и списка цитируемой литературы. Объёгл диссертации составляет 109 страниц »лашинописного текста, включая 24 рисунков. Список литературы состоит из 83 источников.
8
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МДП - СТРУКТУР
1.1. Теория вольт-фарадных характеристик идеальной МДП-структуры
Анализ литературных источников [1-7] позволяет констатировать, что основными граничными параметрами и характеристиками МДП-структур являются:
- поверхностный потенциал ^ (В) или уу {в единицах кТ/ц);
- интегральный поверхностный заряд (КлУсм2);
- геометрическое распределение заряда 0(х);
- концентрация поверхностных состояний 1У55 (см'2);
- энергетическое распределение поверхностных состояний О^Е) (см'гэВ'1);
- генерационно-рекомбинационные параметры (время жизни носителей заряда тп, тР (с); скорость поверхностной рекомбинации Э (см/с); эффективные сечения захвата <т„, <тр (см2) и др.).
В настоящее время эти параметры измеряются в основном емкостными методами, методом полной проводимости (адмиттанса). фотоэлектрическими и термостимулированными методами, а также различными комбинациями и модификациями этих методов.
Основополагающая идея для большинства методов измерения и расчета характеристик МДП-систем состоит в том, что граничные состояния сами по себе не влияют непосредственно на форму и другие характеристики ОПЗ полупроводника. Их влияние проявляется посредством экранировки внешнего поля, что сильно искажает такие экспериментальные зависимости, как вольт-фарадные (С-У) и вольт-симменсные (в-У) характеристики МДП- структур, сток-затворные характеристики МДП-транзисторов и др. Основная направленность современных аналитических средств - изучение граничных и приповерхностных свойств полупроводниковых структур с микронными и субмикронными размерами. В большинстве случаев измерительная информация получается путём
9
воздействия на систему электрических и тепловых полей, а также фотонов, электронов, атомных и молекулярных пучков.
В основе теоретического описания МДП-структуры лежит теория области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника [8]. Основные параметры ОПЗ (заряд и емкость) получаются путем решения уравнения Пуассона с соответствующими граничными условиями
где q - заряд электрона. - абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника, к - постоянная Больцмана, Г - абсолютная температура, ц/-электростатический потенциал полупроводника (изгиб зон). Введя обозначения
(л, - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике), уравнение (1.1) и граничные условия (1.2) можно переписать в следующем виде:
Первый интеграл уравнения Пуассона дает распределение электрического поля в полупроводнике
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
4у _ Р(у,Л)
<Ух і0
(1.6)
где
Р(у,Л) = ±[д_1(вхр(у) - у -1) + Л(ехр(- у) + у -1)]
(1.7)
- Київ+380960830922