Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT - файл n1.doc

Зарядовые явления в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в составе IGBT
скачать (2519 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2519kb.02.11.2012 21:05скачать

n1.doc

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13

2.9. Исследование подвижного заряда методом термостимулированных ионных токов.



С целью выяснения природы Qs на образце с аномально высоким значением Qs были проведены измерения термостимулированных ионных токов (ТСИТ), которые дают возможность оценить величину заряда подвижных ионов в пленке SiO2, и температуру, при которой активизируется ионный дрейф.

В этом методе регистрируется зависимость ионного тока от температуры при её постоянном повышении. При медленном нагреве МДП-структуры под действием постоянного приложенного напряжения происходит выброс ионов из ловушек и их перемещение к противоположенной границе раздела. Скорость выброса ионов из ловушек будет увеличиваться с ростом температуры и регистрируемый во внешней цепи ток, создаваемый перемещением ионов, будет достигать максимума при температуре соответствующей энергии активации ионов из ловушек. При дальнейшем повышении температуры, в предположении, что все ионы обладают одинаковой энергией активации, ток будет спадать до нуля. При этом все ионы будут локализованы у противоположенной границы раздела. Математически этот процесс можно описать следующим образом, не выходя за рамки приближения одинаковой энергии активации для всех ионов [30]:
,
(74)
,
(75)

где - концентрация ионов, находящихся на ловушках в момент времени t, - характеристическое время эмиссии.

Интегрирование выражения (75) даёт зависимость тока от времени и температуры:
,
(76)

Измерения проводились в диапазоне температур 20ч180°С, при напряженности электрического поля в оксиде 105 В/см с отрицательным потенциалом на алюминиевом электроде. Вид спектра ТСИТ представлен на рис.2.29. (для образца с толщиной окисла dox=1,7 мкм.).



Рис.2.29. Спектр ТСИТ, полученный в результате проведения эксперимента на образце с “толстым” окислом.

Из рисунка следует, что активация ионного дрейфа от границы Si-SiO2 к границе SiO2 – Al имеет место уже при температуре ~60°C с максимумом ТСИТ ~85°C. В результате измерений изменился от значений –75 B до –6В, что близко к минимальным значениям , наблюдавшимся на исходных структурах. Изменения значения говорит о дрейфе положительных подвижных носителей заряда под действием электрического поля от межфазной границы Si-SiO2 к алюминиевому электроду (как это показано на рис.2.30), где их влияние на величину поверхностного потенциала минимально. Это позволяет предположить, что в технологическом процессе создания МДП-структур с “толстым” окислом имеют место неконтролируемые включения подвижных ионов (например, ионов натрия), неоднородные по площади пластины, которые сосредоточены вблизи межфазной границы Si-SiO2.



Рис. 2.30. Дрейф подвижных носителей заряда под действием приложенного электрического поля.

Заключение.



В ходе проделанной работы получены следующие результаты:

  1. Показано, что на образцах с поликремневым затвором имеет место существенная неоднородность распределения напряжения плоских зон по площади образца. Результаты данного эксперимента были воспроизводимы, наблюдались как от образца к образцу, так и от пластины к пластине.

  2. Из сравнения результатов измерений однородности структур Al-SiO2-Si и Si*-SiO2-Si было показано, что разброс значений по площади пластины обусловлен операцией создания и легирования поликремневого затвора.

  3. После прохождения таких операций технологического цикла создания IGBT, как электронное облучение и последующий отжиг при температуре 280 єС в аргоне в течение 1-го часа имеет место тенденция к уменьшению среднего значения напряжения плоских зон на фоне общего ухудшения однородности структуры.

  4. В ходе квазистатических вольт-фарадных исследований по методу Берглунда было обнаруженно, что после операции второго высокотемпературного отжига при температуре 280єС, помимо тенденции к общему ухудшению однородности распределения по пластине, наблюдается снижение плотности поверхностных состояний до величин порядка и величины встроенного заряда до порядка . На основании вышеперечисленных данных была выдвинута модель электрофизических процессов, происходящих в структуре, связанная с наличием ионно-дрейфовой нестабильности в МДП-структуре с поликремневым электродом.

  5. В результате ВЧ исследования образцов с “толстым” окислом на уровне исходных структур был обнаружен аномально большой разброс по напряжению плоских зон в пределах образца и от образца к образцу. Так минимальное значение составило порядка , а максимальное – порядка . Методом ТСИТ показано, что это связанно с крупномасштабными загрязнениями поверхности, соизмеримыми с площадью образца, подвижными ионами.

  6. Облучение протонами привело к снижению среднего значения напряжения плоских зон. В рамках данного исследования, в данном случае мы можем предполагать что, по-видимому, имеет место генерация акцепторных состояний.

  7. В результате проведенного цикла экспериментов можно судить о низком качестве технологии создания кристаллов IGBT, в данном ракурсе особо стоит отметить операции создания и легирования поликремневого затвора. При оптимизации технологии этих операций следует ожидать существенное улучшение однородности параметров МДП-транзисторов и, как следствие, улучшение рабочих характеристик самого прибора.

  8. В существующем виде технологический процесс изготовления МДП-структур с “толстым” окислом, отработанный в Брянске, не может быть использован при создании приборных структур, т.к. при данном уровне технологии защитные возможности охранных колец не реализуются в полной мере.

Список литературы.





  1. Garret C.G.B., Brattain W.H. Physical Theory of Semiconductor Surfaces, Phys. Rev., 99, 367(1955)

  2. Солдатов В.С., Хирин В.Н. Контактные явления, оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников. Методическое пособие по курсу «Физика полупроводников».: Издательство МЭИ, 2002,-28с

  3. Nicollian E.H., Brew J.R. MOS Physics and Technology, Wiley, N.Y.,1982

  4. Deal B.E. Standardized terminology for oxide Charges Associated with Thermally Oxidized Silicon, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27,606(1980)

  5. Snow E.H., Grove A.S., Deal B.E., et al. Ion Transport phenomena in insukating film.-J.Appl.Phys., 1965, vo.36, N5, p.1664-1673

  6. Hofstein S.R. Proton and sodium transport in SiO2 film.-IEEE Trans. El. Dev. 1967, vol.ED-14, N6, p.749-758

  7. Deal B.E. The current understanding of charges in the thermally oxidized silicon structure.- J.Electrochem Soc., 1974, vol.121, N6, p 198c-205c

  8. Tamm I. Ьber eine mцgliche Art der Elektronenbindung an Kristallaberflдchen, Phys. Z. Sowjetunion,1,733 (1933)], Шокли [Shockley W., Pearson G.L. On the Surface States Assosiated with a Periodic Potential, Phys. Rev., 56, 317 (1939)

  9. Nicollian E.H., Brews J.R. MOS Physics and Technology, Wiley N.Y., 1982.

  10. Shockley W., Pearson G.L. Modulation of Conductance of Thin Films of Semiconductors by Surface Charges, Phys. Rev.,74, 232 (1948)

  11. Allen F.G., Gobeli G.W. Work Function, Photoelectric Thresold and Surface States of Atomically Clean Silicon,Rhys. Rev., 127,150 (1962)

  12. Deal B.E. The current understanding of charges in thermally oxidized silicon, J. Electrochem, Sos., vol.121, No.6,1974

  13. Stojanovic N., Dimitrioev S. Instabilities in MOS transistors // 7-th Symp. Rel. Electron, Budapest, August 29-Sept. 2, 1988, p 525-542.

  14. Witham H.S., Lenahan P.M. The nature of the deep hole trap in MOS oxides // IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. NS-34, N6, 1987 p.1147-1151

  15. Gerardi G.J., Poindexter E.H., Caplan P.J., Interface nraps and PB centers in oxided silicon waters // Appl. Phys. Lett., vol. 49, N6, 1986, p 348-350

  16. Литовченко В.Г., Горбань А.П., Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник. Киев: Наукова думка, 1978.

  17. Terman L.M. An investigation of surface states at a silicon-silicon oxide interface employing metal-oxide-silicon diodes.- Solid State Electron. 1962,vol.5. N3, p285-297

  18. Terman L.M. An investigation of surface states at a silicon- silicon oxide interface employing metal- oxide- silicon diodes.- Solid State Electron, 1962, vol.5, N3, p.285-297

  19. Berglund C.N. Surface states at steam-grown Si-SiO2 interfaces.- IEEE Trans. Electr. Dev. 1966, vol.ED13, N11, p.1055-1133

  20. Castange R. Dermination de la desite L’etats lents d’une capacite metal-isolant-semiconducteur par l’etude de la charge sons une tension croissant lineairment.- C.R.Acad.Sci.,Paris,1968,vol.267, N5,p 866-874

  21. Kuhn M.A. A quasi-static technique for MOS C-V and surface state measurements.- Solid State Electron,1970, vol.13, N6, p873-885

  22. Литовиченко В.Г., Федорович Ю.В. Диэлектрические покрытия в планарной технологии.- М.ЦНИИ «Электроника» 1972, 78с

  23. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи, Москва, Издательский дом «Додэка», 2001

  24. Linder S. Power Semiconductors. CRCpress, Taylor & Francis. 2006

  25. Kозловский В. В. Модифицирование полупроводников пучками протонов. – СПб.: Наука, 2003 – 268 с. Глава 3.2.

  26. Ascheron C., Otto G., Flagmeyer W., Griepetrog M., Gettering of Damage profile of high energy ion implantated GaP // Phys. Stat. Sol.(a) 1986 Vol.97. P k15-k19

  27. Raineri V., Fallica P.G., Libertino S. Lifetime control in silicon devise by voids induced by He ion implantation // J. Appl. Phys. 1996. Vol.79. N12. P 9012-9016

  28. McLean F.B. A framework for understanding energy on the response of MOS devise // IEEE Trans. On Nucl.Sci. 1980. Vol.NS-24, N.6, P 2102-2107

  29. Marchiniak W., Przewlocki H.M. The current-voltage characteristics of MOS structures as mesuared with the triangular voltage sweep method.- Electron. Technology, 1975, vol.8, N3-4, p.19-32

  30. Nauta P.K. Hillen M.W. Investigation of mobile ions in MOS structures using the ISIC method.- J.Appl. Phys., 1978, Vol.49, N.5, p. 2862-2865.



Приложение.

Спектр плотности поверхностных состояний на образце 2_2 в точке 5д до прохождения операций электронного облучения и последующего отжига.

Константы:

































-

начальное приближение









Далее, представим константу k в эВ



Пусть





Пусть :





Тогда безразмерный электростатический потенциал равен:

Величина g характеризует тип легирования:





Представим функцию F:



Введем значение  для Si:















-безразмерный электростатический потенциал









-избавимся таким образом от неопределенности



Строим теоретическую ВФХ в зависимости от поверхностного потенциала:





Расчет эффективной толщины диэлектрика:

На основании ВЧ измерений имеем Сох 145.3 пФ















В данном случае подставим диэлектрическую проницаемость окисла Si:





























Ёмкость оксида:



Уровень ёмкости в режиме аккумуляции:



Нахождение постоянной интегрирования:







Нахождение постоянной интегрирования:







-начальные приближения для нахождения значений напряжений















































Связываем экспериментальную ёмкость с поверхностным потенциалом:







Находим экспериментальную ёмкость ОПЗ полупроводника в зависимости от

поверхностного потенциала.



Строим на одном графике зависимость теоретической и экспериментальной

дифференциальной поверхностной емкости полупроводника от пов. потенциала.





Разница экспериментальных и теоретических кривых и есть искомая ёмкость,

обусловленная наличием поверхностных состояний.



Таким образом, получаем искомую плотность поверхностных состояний:









Энергия поверхностных состояний Et, отсчитанная от середины запрещенной зоны,

находится следующим образом:









Получаем зависимость плотности поверхностных состояний от энергии:

















1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации