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   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

1.6. Дефекты в термических плёнках SiO2 на кремнии.

Дефекты можно разделить на собственные и примесные. Собственные дефекты в SiO2 возникают при нарушениях регулярности связей Si-O (отклонение длины связи и угла связи от соответствующих средних значений), а так же их разрывах. К собственным дефектам можно отнести еще и нестехиометрические соединения Si2O3, Si2O, SiO, сосредоточенные преимущественно в переходной области от кремния к SiO2, а также междоузельный кислород и кремний в атомарном или молекулярном состоянии.
Примесные дефекты возникают при попадании в слой окисла “инородных” атомов или молекул, их соединений: Na, K, As, Ga, H2O, H2, OH и других. Эти вещества могут быть внедрены в SiO2 при различных технологических операциях, а так же в процессе эксплуатации приборов. В настоящее время качество технологии позволяет достичь очень малых концентраций () электрически активных примесей. Исключением являются водородосодержащие примеси, попадание в окисел которых неизбежно либо в процессе выращивания плёнки (например, при “влажном” окислении), либо во время отжига в формер-газе. Поэтому водород и его соединения являются доминирующими примесными дефектами в слое SiO2.

1.6.1. Собственные дефекты в SiO2.

Схематическое изображение основных собственных дефектов, а так же примерное расположение их энергетических уровней [13] приведено на рис. 1.10.
Рис.1.10. Схематическое изображение основных дефектов в SiO2 (а) и расположение их энергетических уровней (б)
Наиболее важным дефектом, по степени участия при радиационных и высокополевых воздействия, является трехкоординированный (связанный с тремя атомами кислорода) кремний, который возникает в объёме SiO2 при разрыве связей Si-O или Si-Si. В нейтральном состоянии () трехкоординированный кремний идентифицируется как Е’-центр [14] и обнаруживается в объёме SiO2. Он может выступать в роли дырочной ловушки в SiO2, переходя после акта захвата дырки в состояние , несущее положительный заряд. В этом состоянии проявляет свойства электронной ловушки [14].
Еще одним важным дефектом, принимающим участие в создании зарядов, является т.н. PB-центр. PB-центр (рис.1.11.), создаваемый трехкоординированным атомом кремния, представляет собой дефект на межфазной границе Si-SiO2, образованный вследствие нехватки кислорода [15].
Рис.1.11. Схематическое изображение PB-центра.
PB-центры считаются основным источником поверхностных состояний, т.к. способны изменять своё зарядовое состояние в зависимости от поверхностного потенциала полупроводника, и проявляют признаки как донорных, так и акцепторных состояний.

1.6.2. Водородосодержащие примеси в SiO2.

В работе [16] в качестве возможного механизма образования дефектов типа Si-H и Si-OH приводится процесс диссоциации воды на ионы и при “влажном” окислении. Протон вступает в реакцию с PB-центрами, сосредоточенными на МФГ Si-SiO2 и образует комплексы Si-H. Иными словами, происходит пассивация PB-центров. Аналогичное взаимодействие трехкоординированного кремния с протоном на МФГ Si-SiO2 может происходить и во время отжига в формер-газе. Депассивация PB-центров может произойти в результате радиационного либо высокополевого воздействия на МДП-структуру.
Группы также насыщают свободные связи кремния, образуя соединения Si-OH, которые равномерно распределены по толщине SiO2 с уменьшением лишь вблизи МФГ Si-SiO2.

1.7. Вольт-фарадные методы исследования МДП-структур.

Наибольшее распространение для исследования зарядовых явлений в структуре получили вольт-фарадные методы, поскольку они являются неразрушающими, просты в реализации, МДП-структура получается непосредственно в технологическом процессе изготовления ИС. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур несут в себе информацию о таких параметрах границы раздела диэлектрик-полупроводник как поверхностный заряд, энергетическое распределение плотности поверхностных состояний по запрещенной зоне полупроводника на межфазной границе раздела полупроводник-диэлектрик, темп генерационно-рекомбинационных процессов в приповерхностной области полупроводника.
Эти характеристики МФГ полупроводник-диэлектрик в значительной степени зависят от технологических условий создания границы раздела полупроводник-диэлектрик и воздействий на неё последующих операций технологического цикла изготовления прибора. Это даёт возможность применять ёмкостные методы исследования МДП структур как чувствительный способ контроля технологических процессов планарной технологии.
Емкостные методы исследования фиксированного заряда и поверхностных состояний заключаются в сравнении характеристик экспериментально исследуемой МДП- структуры и характеристик идеальной МДП-структуры без поверхностных состояний и встроенного в диэлектрик фиксированного заряда, при этом, все различие этих характеристик объясняется действием указанных факторов – фиксированного заряда и электронных поверхностных состояний на МФГ диэлектрик-полупроводник.

1.7.1. Высокочастотный метод Термана.

Данный метод [17] заключается в измерении ёмкости МДП-структуры на таких высоких частотах, когда поверхностные состояния не успевают перезаряжаться и заряд на них определяется поверхностным потенциалом, заданным постоянным приложенным напряжением, т.е. цепь на рис.1.9. отключается. Однако в системе присутствуют все виды зарядов и, следовательно, экспериментальная кривая сдвинется по отношению к теоретической на
.
(50)
Поскольку заряд в ПС Qit = f(?S), то в общем случае кроме сдвига ВФХ экспериментальной относительно ВФХ теоретической, изменится её наклон . То есть является количественной мерой Qit. Однако значение ёмкости при данном ?S для теоретической и экспериментальной кривой будет одинаково.
Итак, зная максимальное значение ёмкости в режиме аккумуляции можно определить толщину диэлектрика d, как толщину диэлектрика в плоском конденсаторе:
.
(51)
Из выражения (39) в режиме инверсии можно найти минимальное значение емкости структуры и, таким образом, из выражений (32) и (33) определить уровень легирования приповерхностной области полупроводника . Исключив из выражения (26) члены соответствующие неосновным носителям заряда и используя полученное значение , мы можем построить теоретическую высокочастотную характеристику.
Для получения конкретных экспериментальных данных, при заданных величинах емкости полупроводника, сопоставим каждому значению поверхностного потенциала соответствующее значения напряжения смещения на экспериментальной ВЧ характеристике (рис.1.12).
Рис.1.12 Рисунок, иллюстрирующий процесс анализа экспериментальных данных.
Далее, по формуле (52), из имеющегося массива значений можно определить спектр распределения плотности поверхностных состояний.
(52)
Недостатком ВЧ метода является то, что спектр поверхностных состояний находится только в одной половине зоны. Для нахождения полного спектра поверхностных состояний необходимо проводить измерения на образцах n- и p-типа. Так же необходимость дифференцирования зависимости , используя экспериментальную и теоретическую ВФ характеристики, делают этот метод плохо применимым для определения плотности поверхностных состояний в структурах с низкой плотностью ПС [18].

1.7.2. Низкочастотный метод Берглунда, реализованный по квазистатической методике.

Данный метод [19] предполагает измерение вольт-фарадных характеристик на таких частотах, когда время релаксации поверхностных состояний много меньше обратной величины частоты тестирующего сигнала. Трудно разрешимые требования измерения низкочастотных ВФ характеристик на частотах менее 1 Гц для реализации условий равновесного заполнения поверхностных состояний и равновесной величины заряда в инверсионном слое были успешно преодолены Кастаже [20] и Кюном, которые предложили измерять низкочастотную ёмкость МДП-структуры квазистатическим методом. В этом методе регистрируется ток смещения через структуру при приложении к ней медленно изменяющегося по линейному закону во времени напряжения. В этом случае регистрируемый ток смещения будет равен:
,
(53)
где .
(54)
Кюн показал [21], что условия квазиэлектронейтральности свободных носителей заряда в МДП-структуре определяются в первую очередь скоростью образования инверсионного слоя, а не темпом перезарядки поверхностных состояний. Реально используемые скорости развертки, удовлетворяющие квазистационарным условиям, лежат в пределах 1-100мВ/с.
Низкочастотная ВФ характеристика МДП-структуры даёт возможность получить связь между поверхностным потенциалом и приложенным напряжением из следующих вычислений:
(55)
(56)
(57)
Для нахождения воспользуемся графическим методом Кюна, который иллюстрирует рис.1.13.
Рис.1.13. Рисунок, иллюстрирующий графический метод нахождения .
Исходя из интеграла Берглунда (57), можно выразить значения поверхностных потенциалов в областях аккумуляции и инверсии:
(58)
(59)
Выбираем одинаковые значения C в области инверсии и аккумуляции. Тогда:
, поскольку .
(60)
Для p-типа справедливы выражения для емкости в режиме обогащения и инверсии (31) и (36). На основании (60) получим:
(61)
или через интеграл Берглунда, переходя к размерному :
(62)
(63)
Зная ? из (55) получаем связь между и в реальной структуре. Экспериментальную зависимость можно построить в , то есть
(64)
С другой стороны теоретическая НЧ ФВХ определяется как:
(65)
Сравнивая выражения (64) и (65) можно вычислить зависимость :
.
(66)
Переход к спектру поверхностных состояний по запрещенной зоне полупроводника осуществляется с помощью формулы:
, где Et – энергия ПС.
(67)
Здесь учтено, что вклад в общую ёмкость вносят только те состояния (то есть они меняют своё состояние), энергия которых лежит вблизи уровня Ферми на поверхности. При этом отсчёт энергии от середины запрещённой зоны полупроводника Ei .
Чувствительность данного метода по регистрации плотности поверхностных состояний может быть доведена до [22]
Низкочастотный метод Берглунда, реализованный по квазистатической методике, достаточно чувствителен к электронному состоянию МФГ полупроводник-диэлектрик и является на наш взгляд наиболее удобным при контроле операций технологического цикла изготовления МОП ИС. При малом количестве измерений этот метод позволяет определять энергетическое распределение плотности электронных состояний в большей части запрещенной зоны полупроводника .
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


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