Способ определения параметров пограничных состояний в мдп транзисторах

СОЮЗ СОВЕТСНИХССЦЯЛИ 5 ИЕСКИПРеСпуБлин 3 др С 01 К 31/26 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН ТОРКОМЮ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПо ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИй(71) Ордена Трудового Красного Знаме" ни институт радиотехники и электроники АН СССР(56) 1.Колешко В.М.и др.Контроль в технологии микроэлектроники. Минск, "Наука и техника", 1979, с. 136-1682. 1 ЕЕЕ Тгапз оп Е 1 есйтоп Оеч 1968, У 15, р. 1004.(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ В МДП-ТРАНЗИСТОРАХ, включающий охлаждение транзистора, измерение зависимости токастока транзистора от напряжения смещения при фиксированном значении напряжения исток-сток и определениеспектра пограничных состояний расчетным путем, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличениячувствительности способа, транзисторохпаждают до температурыТИЕ/4 К,одновременно с измерением зависимостиЮ1 80.1.095115 А тока стока от напряжения смещения из-, меряют зависимость скорости возрастания тока стока от этого напряжения, соноставляют значения тока стока и скорости его возрастания при одинаковых напряжениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство:ащ, цч итс 1(1 ЮО с Ос 23 е Й где К - постоянная Больцмана; ЪО - отношение ширины канала МДПтранзистора к его длине; С - удельная емкость диэлектрика; Е с - диэлектрическая проницаемостьполупроводника; К и Й - соответственно эффективная с ц плотность состояний в разрешенной зоне и концентрация Я основной легирующей примеси; 1 - ширина. запрещенной зоны; Э, - ток стока транзистора; Ц - напряжение смещения;Ю Од - напряжение исток-сток; Ж бЕ - требуемое энергетическое раз- ф 3решение. Рввй,(Т Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения электронных характеристик границы разделаполупроводник - диэлектрик непосредственно в ИДП-транзисторах, в томчисле входящих в состав интегральныхсхем.Известен способ определения параметров пограничных состояний (ПС) границы раздела полупроводник-диэлектрик, основанный на измерении при комнатных температурах вольт-фарадных характеристик МДП-конденсаторов и определе 15 нии искомых параметров расчетным путем 1.Недостатками этого способа являются малое энергетическое разрешение (о"Е) и низкая чувствительность при определении параметров "мелких" ПС т.е. ПС, расположенных на энергетическом расстоянии порядка или меньше 0,1 эВ от края зоны проводимости или валентной зоны.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров "мелких" ПС в МДП-транзисторах 1 21.Согласно этому способу в ИДП-тран 30 зисторе выполняют следующие операции.Охлаждают образец, измеряют зависимость тока стока от напряжения смещения при фиксированном напряжении исток-сток.Строят теоретическую зависимость35еМ-"Д-а,)Я,где М (О ) - поверхностная концентраФция носителей в канале;Ь / а - отношение ширины каналак его длине;о - подвижность;- заряд электрона. Для этогорешая уравнение Пуассона, находят зависимости М (Ч) и О(Ч), пренебрегая влиянием ПС, где 9 - поверхностный потенциал, отсчитанный от края зоны (неосновных носителей); используя 5 как параметр, строят зависимость й(0); при некотором значении 11,Ю - напряжение порога опреФделяют подвижностьи. по формуле: учитывая изменение /л, с Ч , восстанавливают зависимость к(О.) и по формуле (1) строят Э (О ). 5 2Из сравнениями (Ц) н 3 (О ) определяют Й 5(Е) по формуле:д(ац, а(ч, О)55 С аЭ аУ, где 10 - разность напряжений смещения на теоретической и экспериментальных кривых, отвечающих условию равенстватоков 31 и 3 .+Однако данный способ применим в области относительно высоких температур, т.е. имеет низкое энергетическое разрешение, что вытекает из следующего.Формула (2) получена в предположении, что изменение заряда на ПС много меньше изменения заряда в зоне неосновных носителей при изменении О, что верно лишь при высоких температурах и/или малых М (Е), В противном случае к определяется выражением: АЪж(Ц где ЙеЕМект) (27 Е Маггд - концентрация носителей в канале при условии касания уровня Ферми и границы зоны неосновных носителей на поверхностифсЧ + Р - ОеИспользование формулы (2) при более низких температурах приводит к прогрессивно возрастающим ошибкам РМз в определении М 55. Нетрудно видеть, чтоуцискБ 5 ее55 55 при Т 1 ОО К и М =1 О 1 см /эВ,55Таким образом, недостатком этогоспособа также является низкая чувствительность при определении спектра"мелких" ПС, а именно низкое энерге- ,тическое разрешение дЕ и большаяпогрешность при определении плотнос-,ти мелких" ПС, М (Е).Цель изобретения - увеличениечувствительности способа.Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров пограничных состояний в МДП- транзисторах, включающему охлаждение транзистора, измерение зависимости тока стока транзистора от напряжения смещения нри фиксированном значении напряжения исток-сток и определение спектра пограничных состояний расчетным путем, транзистор охлаждают до температуры ТдЕ/4 К, одновременно с измерением зависимости тока стока от напряжения смещения измеряют зависимость скорости возрастания тока стока от этого напряжения, сопоставляют значения тока стока и скорости его возрастания при одинаковых напряжениях смещения и продолжают измерения вплоть до напряжения смещения, при котором выполняется следующее равенство: д Э (// ) ВОО г К - постоянная Больцмана;а - отношение ширины канала МДПтранзистора к его длине;Г - удельная емкость диэлектрика;- диэлектрическая проницаемостьполупроводника;соответственно эффективнаяплотность состояний в разреленной зоне и концентрацияосновной легирующей примеси;1 - ширина запрещенной зоны;ЭС 1 - ток стока транзистора;О - напряжение смещения;0,1 в напряжение исток-сток;дЕ- требуемое энергетическоеразрешение,На фиг. 1 представлены зависимоститока стока транзистора и скоростинарастания этого тока от напряжениясмещения, а также теоретическая зависимость тока стока от этого напряжения (кривые 1, 2 и 3 соответственно)для транзистора КП 301 Б; на фиг,2 -спектр пограничных состояний длятранзистора КП 301 Б.Предлагаемый способ основан наследующих теоретических соображениях,Из анализа формулы (4) следует;что она переходит в формулу (2) когдаМ 5(Р) много меньше заряда свободныхносителей, что выполняется либо прибольших Т, либо когдаР Ч,Ч о (6) де Ь/Решая уравнение Пуассона для МДП- транзистора, можно показать, что при выполнении равенства (6) поверхностная концентрация в канале транзистора составляет т.е10,)Я ЧР=-о),УО -"Оо 15 Для нахождения на зависимостиЭ, (О ) точки, в которой можно восполь зоваться формулой (2), необходимо решить уравнение (7), что можно сделать,например, графически, Для этого, постепенно увеличивая О), одновременно с зависимостью ЭОстроят 25 Рф) по формуле (7) и продолжают этупроцедуру вплоть до точки их пересечения при некотором О Оц, в которойи определяют )о. по формуле (2).Поэтому в предлагаемом способе по 30 сравнению с прототипом проводят следующие дополнительные операции.Охлаждение образца до температурыТ 8 Е/4 К, обеспечивающей требуемоеэнергетическое разрешение дЕ.Измерение производной д 3 д /дО одновременно с зависимостью Э,(О )Определение значения Оо из решения уравнения (7), например, графически путем построения на одном графике в координатах 3-О зависимосВтей 3 (О,) и )-(О ) и определение точки их пересечения при О=Оо, в окрестности которой и определяют подвижность по формуле (2) .45 Энергетическое разрешение предложенного способа определяется минимально возможной температурой измерений Т , которую можно оценить,например, из условия равенства проводимостей прыжковой и по зоне не.осно)зных носителей:1-О ) ехр -- =М 4-КТ рЬЕгде )ц.- "прыжковая" подвижность;ЬЕ - интервал "мелких" ПС.Для (ЕО, 1 эВ и типичных значенийр, х 10- см /В.С., М-з 10 см /эВ,получаем Тй 4 К, которому отвечает1095115 15 1 о 1 у 3591/2 Тира одписноул.Проектная 1 еУ Ж й.1,3 мэВ, что не менее, чем в 75 раэ лучше, чем в прототипе.Уравнение (7) может иметь более одного решения. Равенству (6) удовлетворяет только наибольшее по модулю значение.П р и м е р. Измерения 3 (0) про водились на промышленном полевбм трайзисторе (КП 301 В) при Одй 10 ИВ и Т20 К. На фиг. 1 показаны зависи 10 мости 3(О), Г (О) и рассчитанная по описаннОй методике зависимость Эо(Ц) (кривые 1,2 и 3 соответственно). На фиг.2 приведен спектр ПС.Й(Е), рассчитанный иэ сравнения графиков 1 и 3 на фиг.1,Наличие хвоста отрицательной плотности состояний при Е2,б мэВ является следствием скачкообразного измене- О ния к при изменении зарядного состояния ПС но прохождении его уровнем Ферми. Существование данного скачка не может быть учтено ни в рамках предложенного способа, ни в рамках прототипа. Последнее определяет по" грешность определения Й (Е) йри ис пользовании стандартного предположе"ния о зависимости И.= 1 (0):Ж- (10 /о,5где М и МЗ 5 - соответственно значение "положительной" и "отрицательной" плотностей ПС в максимумах.Погрешность прототипа при определении Й при тех же условиях составляет более 503, что означает отличиеизмеренной Й от истинной более,чем в два раза.Предложенный способ позволяет повысить достоверность результатов засчет отказа от тест-структур, повысить точность измерений (в 5 раз) ирасширить объем получаемой информации (определение спектра ПС с энергетическим разрешением в 75 раз лучшепо сравнению с прототипом). Использование предложенного способа позволяет детально анализировать качествотехнологии и исходных материалов приизготовлении ИЦП-транзисторов и приборов на их основе (БИС), что повышает процент выхода годных.