Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 8 06;12 Нестационарная спектроскопия поверхностных состояний в режиме постоянного подпорогового тока МДП транзистора й М.Н. Левин, Е.Н. Бормонтов, А.В. Татаринцев, В.Р. Гитлин Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия (Поступило в Редакцию 27 мая 1998 г.) Реализован метод исследования спектра поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик по релаксации напряжения на затворе МДП транзистора, измеряемого в режиме постоянного подпорогового тока. Предлагаемый метод обеспечивает возможность исследования этих состояний в обеих половинах запрещенной зоны полупроводника и удобен для тестового контроля интегральных схем.

Возможности метода проиллюстрированы на примере определения радиационно-стимулированных изменений спектра поверхностных состояний.

Анализ релаксационных процессов, обусловленных пе- VT. При этом авторам [4] удалось зарегистрировать перезарядкой неравновесно заполненных поверхностных резарядку дискретных ПС в МДП транзисторе размером состояний (ПС), является эффективным средством ис- 1 1 m. Однако поддержание постоянного стокового следования границы раздела диэлектрикЦполупроводник. тока открытого транзистора позволило исследовать ПС Симмонс и Вей [1] первыми показали возможность только вблизи зоны неосновных носителей.

прямого определения плотности ПС по нестационарным В настоящей работе реализован метод исследования токам в структуре металЦдиэлектрикЦполупроводник спектра ПС по релаксации напряжения на затворе МДП (МДП) при переключении ее из обогащения в глуботранзистора в режиме постоянного подпорогового тока.

кое обеднение. При этом авторы пренебрегли влиянием Предлагаемый вариант обеспечивает возможность исизменения глубины области пространственного заряда следования ПС в обеих половинах запрещенной зоны (ОПЗ) полупроводника, ограничив применимость метода полупроводника.

условием Ci Csc, где Ci и Csc Ч емкости диэлектрика и полупроводника соответственно. Это ограничение устраТеоретическая часть нено в методе Джонсона нестационарной спектроскопии ПС в режиме постоянной емкости (Constant Capacity Ч Для определенности рассмотрим p-канальный МДП DLTS или СС-DLTS) [2]. Такой режим обеспечивает транзистор. В данном транзисторе спектр ПС в верхпостоянство глубины ОПЗ в процессе релаксации и ней половине запрещенной зоны (прилегающей к зоисключает влияние полупроводника на результаты изне основных носителей полупроводниковой подложки мерений. Метод постоянной емкости позволяет исслетранзистора) исследуется по релаксации Vg(t) при его довать ПС в половине запрещенной зоны, прилегающей переключении из обогащения в состояние начала слабой к зоне основных носителей заряда. Трудности в исслеинверсии. В состоянии начала инверсии квазиуровень довании возникают в середине запрещенной зоны из-за Ферми неосновных носителей EFp на поверхности распоявления токов поверхностной генерации, вызванных положен вблизи середины запрещенной зоны, поверхнеконтролируемым накоплением неосновных носителей ностный изгиб зон s равен объемному потенциалу пона поверхности в конденсаторной МДП структуре [2].

упроводника B, а соответствующее напряжение на заИзбежать генерации поверхностных токов позволяет творе транзистора Vmg может быть названо напряжением проведение исследований в МДП транзисторах с обратно Фсередины зоныФ. ПС в нижней половине запрещенной смещенными переходами истока и стока, препятствуюзоны (прилегающей к зоне неосновных носителей) исщими накоплению неосновных носителей у поверхноследуются по релаксации Vg(t) при переключении МДП сти [3]. В случае измерений в МДП транзисторе удается транзистора из сильной инверсии в состояние Фсередины также достичь предельной чувствительности методов зоныФ. Напряжение на стоке должно быть достаточно нестационарной спектроскопии за счет использования их большим, чтобы обеспечить режим насыщения стокового собственного усилительного эффекта. Заметим, что при тока. При насыщении тока по напряжению на стоке в исследовании нестационарной перезарядки ПС в МДП области слабой инверсии поверхность полупроводника элементах больших интегральных схем (БИС) с малыми является эквипотенциальной практически по всей длине размерами постоянство глубины ОПЗ проще обеспечить канала [5]. Это позволяет рассматривать процесс релакподдержанием постоянной величины стокового тока, а не емкости затвора. В работе [4] в таком режиме (при посто- сации заряда на ПС в одномерном приближении.

янномстоковомтоке) измерялась релаксация затворного При переключении МДП транзистора из обогащения напряжения Vg открытого МДП транзистора, величина в инверсию перезарядка ПС обусловлена двумя процескоторого превышала величину порогового напряжения сами: эмиссией электронов с ПС в зону проводимости и Нестационарная спектроскопия поверхностных состояний в режиме постоянного подпорогового тока... захватом (рекомбинацией) свободных дырок на ПС. Ки- При поддержании в процессе релаксации МДП траннетика изменения заряда на поверхностных состояниях зистора постоянной величины стокового тока изменение Qit(t) определяется уравнением напряжения на затворе определяется только перезарядкой ПС, т. е. кинетикой изменения заряда Oit(t), E(t) Qit(t) Qit(t) =q Dit(E) exp -(en + cp)t]dE, (1) Vg(t) =Vg0 -, (8) Ci EFp где Vg0 Ч напряжение на затворе в момент времени где q Ч заряд электрона, Dit(E) Ч плотность ПС, en и t = 0, обеспечивающее протекание выбранной величины cp Ч коэффиценты эмиссии электронов и захвата (репостоянного тока в условиях стационарного обогащения комбинации) дырок соответственно, EFp Чположение канала транзистора; Ci = i/di Ч геометрическая емквазиуровня Ферми неосновных носителей в полупрокость подзатворного диэлектрического слоя; i Ч абводнике, E(t) Ч энергетический уровень ПС в момент солютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, времени t.

di Чего толщина.

Коэффициент эмиссии электронов с ПС определяется Уравнения (7) и (8) позволяют выразить плотность их энергетическим положением ПС через значения напряжения на затворе Vg(t) и его E - Ei производную по времени dVg(t)/dt в момент времени t, en = nvthni exp, (2) kT связанный соотношением (5) с энергетическим положением ПС, а коэффициент захвата Ч концентрацией свободных дырок и может быть выражен через положение квазиуровня Ci t Vg0 - Vg(t) dVg(t) Ферми EFp Dit(t) = exp - t. (9) qkT tD tD dt Ei - EFp cp = pvthni exp. (3) Система уравнения (5) и (9) обеспечивает возможkT ность определения энергетического распределения плотЗдесь ni Ч собственная концентрация носителей в полу- ности ПС в верхней половине запрещенной зоны по проводнике, vth Ч тепловая скорость, n и p Ч сечение релаксационным зависимостям напряжения на затворе, захвата ПС для электронов и дырок соответственно, измеряемого в режиме постоянного подпорогового тока.

Ei Ч уровень Ферми в собственном полупроводнике, Верхний и нижний пределы доступного для исследования k Ч постоянная Больцмана, T Ч абсолютная темпе- энергетического интервала определяются по формуле ратура. Равенство коэффициентов эмиссии и рекомби- (5) минимальным временем измерения и демаркационнации определяет положение демаркационного уровня ным уровнем энергии ED соответственно.

ED, выше которого ПС разряжаются в основном за счет Для практической реализации методики необходимо эмиссии, а ниже Ч за счет рекомбинации предварительно определить демаркационное время tD и сечение захвата основных носителей n. Заметим, что с ED - Ei = Ei - EFp+kT ln(p/n). (4) учетом (7) соотношение (8) можно записать следующим Эмиссия электронов в зону проводимости происходит образом:

последовательно по мере увеличения глубины энергеE(t) тического положения ПС. При этом энергетический q t уровень ПС, с которого происходит эмиссия электронов Vg(t) =Vg - exp - Dit(E)dE, (10) Ci tD в момент времени t, определяется с известным соотноEi шением [1] где Vg Ч конечное стационарное значение затворного E(t) =Ei - kT ln(nvthnit). (5) напряжения Vg(t ), определяемое выражением Время t отсчитывается от момента переключения EFp МДП транзистора из обогащения в слабую инверсию.

q Vg = Vg0 - Dit(E)dE. (11) Из (3)Ц(5) следует, что момент времени tD, в который Ci Ei эмиссия электронов достигает ПС, расположенных на демаркационном уровне энергии ED, обратно пропорциЛогарифмируя соотношение (10), получаем онален коэффициенту захвата дырок E(t) tD = c-1. (6) p Ci(Vg - Vg(t)) t ln = - + ln Dit(E)dE. (12) С учетом (3)Ц(6) уравнение (1), описывающее изме- q tD Ei нение заряда на ПС, можно записать в виде Построив релаксационную кривую в координатах E(t) t Qit(t) =q exp - Dit(E)dE. (7) Ci(Vg - Vg(t)) tD ln = f (t), EFp q Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 62 М.Н. Левин, Е.Н. Бормонтов, А.В. Татаринцев, В.Р. Гитлин Рис. 1. Блок-схема установки для нестационарной спектроскопии поверхностных состояний в режиме подпорогового тока насыщения.

из наклона полученной зависимости можно определить Здесь энергия и время связаны следующим соотношенизначение tD. Затем, численно дифференцируя релак- ем [1]:

сационную кривую Vg(t), при каждой фиксированной E(t) =Ei + kT ln(pvthnit). (14) температуре по формуле (9) вычисляются значения Dit, Отметим также, что для определения сечения захвата соответствующие моментам времени t < tD.

неосновных носителей p достаточно одной релаксациДля нахождения сечения захвата основных носителей онной кривой, измеренной при фиксированной темпеn по полученным зависимостям Dit(t) определяются ратуре. Таким образом, система уравнений (13) и (14) соответствующие значения температуры и времени, удо- дает спектр ПС в нижней половине запрещенной зоны влетворяющие условию Dit = const (см. вставку на полупроводника.

рис. 2), т. е. точки t1 и t2 для кривых, снятых при температурах T1 и T2 соответственно. Используя поИзмерительная установка лученные значения ti и Ti, можно построить зависимость ln(vthnit) = f (1/kT ), которая в предположении Блок-схема установки для нестационарной спектроскоn = const является прямой линией, и по наклону этой пии ПС в режиме насыщения подпорогового тока привепрямой определить сечение захвата n. Нижняя часть дена на рис. 1. В состав установки входят следующие запрещенной зоны исследуется при переключении МДП функциональные блоки.

транзистора из области сильной инверсии в состояние 1) Вакуумный криостат (1) с блоком управления Фсередины зоныФ. Напряжение Фсередины зоныФ Vmg температурой (2), который обеспечивает поддержание определялось по теоретическому значению подпороготемпературы образца (3) от 80 до 723 K с точностью вого тока Img в соответствии с известной методикой [6].

до 0.5 K, задание опорного напряжения для этого блока Перезарядка ПС в этом случае определяется единственосуществляется с помощью цифроаналогового преобраным механизмом Ч эмиссией дырок с ПС в валентную зователя ЦАП1 (4) на базе интегральной схемы (ИС) зону. Уравнение (9) преобразуется к простому виду КР594ПА1.

2) Генератор тока на быстродействующем операционном усилителе К574УД2 (5), обеспечивающий динаCi(t) dVg(t) Dit(t) =-. (13) мическое поддержание постоянного подпорогового тока.

qkT dt Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Нестационарная спектроскопия поверхностных состояний в режиме постоянного подпорогового тока... Уровень тока определяется значением опорного напря- данной или другой температуре. Время, необходимое для жения, задаваемого ЦАП2 (6) на основе ИС КР594ПА1, измерения одной релаксационной кривой, составляет не и может достигать 10-10 A. более 0.02 s при записи данных в ОЗУ ЭВМ и не более 3) Быстродействующий 10-разрядный аналого-циф- 0.1 s при записи данных на диск.

ровой преобразователь (АЦП) (7), собранный на 8-разрядных АЦП К1107ПВ4 со временем выборки Экспериментальные результаты 10-8 s, с помощью которого измеряется релаксация напряжения на затворе МДП транзистора, обусловленная Предложенный метод был применен для определения перезарядкой ПС.

радиационно-стимулированных изменений спектра ПС.

4) Буферное оперативное запоминающее устройство Измерения проводились на p-канальном МДП транзи(БОЗУ) (8), служащее для предварительной записи дансторе с толщиной подзатворного окисла d0x = 98 nm, ных из АЦП с последующей передачей в ЭВМ. БОЗУ длиной канала L = 3 m, шириной канала W = 100 m, емкостью 10 1024 бит реализовано на базе статиуровнем легирования подложки n0 = 1014 cm-3. Энерческого ОЗУ ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) типа гетический спектр ПС изменяли воздействием мягК1500РУ415 со временем выборки не более 2 10-8 s.

кого рентгеновского излучения с энергией квантов 5) Генератор тактовых импульсов (9), собранный на Ex = 20 keV, дозой до 106 R и последующим низкотемдискретных элементах ЭСЛ, с помощью которого осуществляется стробирование АЦП и БОЗУ.

6) ЦАП3 (10) КР594ПА1, с помощью которого задаются параметры импульсов смещения, подаваемых на затвор МДП транзистора.

7) Быстродействующий электронный ключ (11), обеспечивающий коммутацию сигналов, подаваемых на затвор МДП транзистора.

8) Программируемый от ЭВМ таймер (12), собранный на БИС КР580ВИ53, с помощью которого осуществляется временная диаграмма процесса измерения (задание временных параметров импульса смещения, управление ключевым устройством, АЦП и БОЗУ).

9) МикроЭВМ ФЭлектроника-60Ф (13), с помощьюкоторой осуществляется управление процессом измерения и обработка результатов.

Рис. 2. Релаксационные зависимости Vg(t), измеренные при 10) Устойство согласования (14), осуществляющее переключении МДП транзистора в слабую инверсию из обосвязь измерительного блока с микроЭВМ.

гащения (Х Ч T = 300 K, Ч T = 250 K) и из сильной Установка работает следующим образом. По достижеинверсии ( Ч T = 300) после рентгеновского облучения:

нии заданной температуры на затвор транзистора поD = 105 (1), 5 105 R (2).

дается импульс напряжения, переводящий поверхность в подзатворной области в состояние обогащения или инверсии (в зависимости от исследуемой половины запрещенной зоны полупроводника). При этом ключевое устройство отключает цепь обратной связи, обеспечивающую поддержание постоянного подпорогового тока.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам