Способ определения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник диэлектрик

(51) 1 Т,21/ АНЙЕ ИЗ Моп оГцгевеп 1 яЬуя. СопХр, 9ГОС/ДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРОО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬПИИ(71) Институт радиотехники и элект ррники АН СССР(5 о) Гуляев Н.В. и др. Спектроскопия электронных состояний на границе раздела полупроводник " диэлектрик МДП- структур, Электронная промьппленность. .1985, в. 3 (141), с, 44-48.КХацящапп Е. Тйе ЕчаХиаТгапяхеп 1 СарасИапсе Меаяоп МОБ 1 п 1 егГасея. Тпя 1. РБег. 1980, В 50, СЬарСег 2(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВПОГРАНИЧНЫХ СОСТОЯНИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОЛУПРОВОДНИК - ДИЭЛЕКТРИК(57) Изобретение относится к областиполупроводниковой техники и можетбыть использовано для определенияфундаментальных характеристик границраздела полупроводник - диэлектрик,Цель изобретения - обеспечение возможности измерения сечения захватаносителей заряда на поверхностныесостояния (ПС) и повьппение точностиопределения плотности ПС. Согласноизобретению устанавливают необходимую температуру исследуемого обраэца -МПЧ-конденсатора, определяемую с возможностями измерения высокочастотнойемкости конденсатора, и модулируюттемпературу образца по периодическому закону с периодом и амплитудой мо"дуляции, отвечающим определенным условиям. Затем заряжают МДП-конденсатор обогащающим напряжением до предельного заполнения ПС, о, чем судятпо величине высокочастотной емкостиобразца, равной в этом случае емкости диэлектрического слоя МДП-конденсатора, Подают обедняющее напряжение,создающее у границы полупроводника сдиэлектриком обедняющий изгиб зон,при котором заполнение ПС становитсянеравновесным. Стабилизируют высокочастотную емкость МДП-конденсатора ирегистрируйт не осциллирующие составляющие и синхронно осциллирующие стемпературой составляющие сигналоврелаксации напряжения на затворе МДП"конденсатора или его разрядного.тока. Повторяя указанные операции, придругих средних температурах образцаопределяют иэ полученных зависимос-,тей расчетным путем спектр ПС и энергетическую и температурную зависимости сечения захвата на них свободныхносителей заряда. 2 ил.20 Изобретение относится к области полупронодниковой техники и можетбыть использовано для определения функциональных характеристйк,границ раздела полупРРводник " диэлектрик, таких .как энергетический спектр по- грани ных состояний (ПС) и теюературная и энергетическая зависимости их сечений захвата, 10Целью изобретения является обеспечение воэможности измерения сече" ния захвата носителей.заряда Ва по:,верхностные состояния и повышения точности определения плотности по" 15 верхностных состояний.На фиг, 1 представлена схема устройства,.реалиэующего предлагаемый способ; на фиг, 2 изображена зонная схема полупроводника у его границы с днэлектрикомьСхема устройства включает блок 1 измерения монотонно изменяющейся составляющей полевого напряжения, блок 2 измерения амплитуды осциллирующейсинхронно с температурой составляющей полевого напряжения блок 3 изме, рения высокочастотной емкости цепи. затвор - подложка, блок 4.поддержа-ния постоянной высокочастотной емкости цепи затвор - подложка, блок 5 измерения вольт-амперной характеристики цепи исток - подложка, блок 6 измерения нольт-амперной характеристики цепи сток - подложка, источник 7 З 5 тепла", внешние датчики 8 температуры, пунктиром изображена граница слоя пространственного заряда, металл 9 полевого электрода (затвор), диэлектрик 10 полупроводник 1 1 подложку 4012, исток 13, сток 14, термастат 15, внешнюю батарею 16 задающую обогащающее н обедняющее полевое напряжение, ключ 17, переключающий ИДП-конденсатор в режим разрядки. 45П р и м е р. Способ реализуют на РДП-конденсаторах типа А 1 - БО- Бх, осуществляя следующую совокупность операций.Устанавливают требуемое среднее значение температуры То образца - МДП-конденсатора. ТемпературуТ, выбирают исходя из требования1(То Е, где 1( - постоянная Больцмана; Е - энергия активации соответствующего уровня ПС. Нижний предел То ограничивается возможностями измерениявысокочастотной емкости цепи затвор подложка, поскольку с понижением температуры сопротивление объема полупроводника резко возрастает, Для реальных структур Бх - МО этот предел составляет десятки градусов Кельвина. Дискретность значений То определяетэнергетическое разрешение способа.2. Иодулируют температуру образца Т по периодическому во времени С закону 1 Т=Т + д Г(С), где Г(С) - периодическая Функция с периодом О и ам 0плитудой д, причем ) Г(С)(1 С=О Соъ 8 С, С- характерное время прохождения температурного Фронта по области пространственного заряда у границы полупроводника с диэлектриком, а - амплитуда приращения тем .пературы, Д Й - фЕЙодуляция температуры образца производится за счет дополнительного источника 7 тепла, который подает на. образец периодически меняющийся со временем поток тепла. При этом тем" пература становится неоднороднойона меняется по образцу с характерным расстоянием Ь 7, ( в в ) , где ж - теп 81Блопроводность; Б - удельная теплоемкость;- плотность полупроводника, Поскольку разряд ПС рассматривается в условиях,однородйой по слою объемного заряда (шириной И) температуры, то необходимо выполнить условие; и сскЖВфйй . Отсюда следует что О)7 С:БВБрЧ. Дпя широкого класса материЖалов - "1 и С =2 510с.Б у Ъ 1 до 1Измерение температуры в слое объемного заряда у границы полупроводника с дйэлектриком можно, например, проводить по температурным зависимостям тока в цепи исток - подложка или сток - подложка, т.к, по со-. противлению встроенные рф-и-переходы (исток и сток) очень чувствительны к изменению температуры. Вначале, устанавлиная с помощью термостата(источник 7 тепла отключен) однородную по образцу температуру, которую фиксируют датчики 8, измеряют ток и напряжение в цепях исток - подложка и сток - подложка, Затеи измеряют429848 ток в этих цепях при включенном источнике 7 тепла и с помощью ранееполученных характеристик определяюттемпературу в слое объемного заряда,а также проверяют ее однородностьвдоль границы раздела полупроводника с диэлектриком.3, Заряжают ИДП-конденсатор обогащенным полевым напряжением до предельного заполнения ПС,На фиг. 2 изображена зонная схема полупроводника у его границы сдиэлектриком: Е- дно зоны проводи мости; Еч - потолок валентной эоны.Сплошная линия отвечает обеднщощемуизгибу зон, а пунктирная - обогащающему (соответственно обедняющему нобогащающему полевым напряжениям).Наличие обогащающего изгиба зон мож- грно фиксировать, например, по значениювьсокочастотной емкости цепи затвор - .подложка, а именно в этом случае онадолжна совпадать с геометрической емкостью диэлектрического промежутка. 264, Подают объединяющее полевое напряжение, создающее у границы полупроводника с диэлектриком обедняющий изгиб зон, при котором заполнение ПСстановится сильно неравновесным. Обед"30няющий изгиб зон , где о - зарядзэлектрона;- потенциал, соответствующий обедняющему изгибу зон, устанавливают (меняя полевое, напряжение)примерно равным половине запрещеннойЗБзоны полупроводника Е. Точное значение о д можно найти, например, из измерений вйсокочастотной емкости цепизатвор - подложка. Ее величина С (наединицу площади структуры) связана с дошириной слоя пространственного зарядаЧ соотношением 45 65С С - переменные интегрирования;С - решение уравнения47%и Ъеет + иС Сгде 2 - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;Со - емкость единицы площади диэлектрика.При этом(р =гиц И Чгде Б - концентрация легирующей приРмеси (ее значение являетсяизвестной характеристикойИДП-конденсатора).5. Стабилизируют высокочастотную емкость в цепи затвор - подложка. 46.,Регистрируют временные зависимости Ч,(С) илн 1,(С) .монотонно изменяющихся составляющих сигналов релаксации напряжения на затворе Ч(С ) илиразрядного тока 1(С),соответственно.7, Регистрируют временные зависимости амплитуд Ч (С) или 1(С ) синхронно осциллирующих С температуройсоставляющих сигналов релаксации напряжения на затворе Ч(С) или разрядного тока 1(С) соответственно,Измерение сигналов релаксацииЧ(С ) и 1(С ) проводится в диапазоневремен С, ограниченном условиями снисверху - С ( ф одевремя термической генерации носителей другого типа на границе разделаполупроводник - диэлектрик. В случаеобъемной генерации 7И ехр(-) вч Тфслучае генерации через ПСчГ Ев-Е 1=63 ехр -д , где ю н о) - соотКТ 11ветствующие этим случаям частотныефакторы; Г- ширина запрещенной эоныполупроводника. Дпя реальных МДП-конденсаторов диапазон составляет, какправило,мс С ( с,8, Повторяют операции 1-7 утри дру"гнх средних температурах Т .9. Рассчитывают плотность ПСЯЕ) и сечение захвата носителей заряда на ПС Й(Е, Ть) по формулам формулы приведены для случая измерениязависимости Ч(С)1. Для непрерывногоспектра---- ( КТ с ):3.п 055( Е )( )фо БцСЭс.где Ч (С), Ч, (2 С), Ч(С), Ч(2 С)значения напряжещй на затворе У и У в моменты времени С н 2 С соответственноф8 1, 6,ь 29 с Ч при заданных Е и То ьДпй квазидискретного спектра1 г .П 55(Е) 1 1 г1- ЯЕ 111: о 11 11 -(2 й 1 " =гт 5 Ч 1, .о Юь с С с с КЕ е "7(1)-7 (24,ь О Я ц й 8Е 1 Ч 1(г:17.,-1ЗдЕсь Я и Е - ко 1 гдентрацих 11 О иЗнгвРГИЯ ЯКТИВЯЦИИ СООТВЕТСТВУЮЩЭГОЯОВИН ПС 1 Т 1 темпегоатураг 1 ри которой разность 1,7 11;)-7,(21;,)1 дляв 13 емени Ф максимальна,ТОЛ 1 гЯНЯ ОКИСЛЯ ИСПОЛЬЗУЕМОГО ИДЯ"конденсатоРа О,12 мкмь В Режиме обоГбщЕНия ЕМКОСТЬ С %01-КОНдЕг 1 СЯТОрасцставлнла 1 ч 9 ь 5 ПФ. МодУллции температуры осуществляют периодическим освбиением образца лазером ЛГ,саабженным механическим модулятороМ.Дйя стабилизажи тем 11 ерагуры испольЗуЮТ ЭЛЕКтрОН" 1 Ый г Ерг 1 орвсгу 11 яТОрСтру 1 туру ПОМЕ 1 ЦЯ 1 ОТ В ОПгЪЧЕСКИЙазсотИ 151 КРНОСТЯТ ОСВЕ 1:81 ОТ ЛЯЗЕРОМ Иохлажда 1 от до темпоратуры Т =80 КУДВЯИВ Я 1 ОТ МОЩ:10 СТ Ь ИЭЛУЧР НИЯ Ла ЭЕ Раи Включают модулятор г, частота МОдуляцйи 1 г 16 1 О Гц), Б реэульгате температура образца изменяется по периодВческому закону с амплитудой гг - 1 К,Заряжа 1 от образец, для этого назатвор подают сбога 111 аннцее напряжение+О В. Затем подают обедня 1 ощее напряжгйиие - 1 В, В режиме стабилизацииВйсокочастотной емкости МДП-конденсатора иэиеря 1 от зависимости от времени7,Ь) и 7, (1). В этом режиме МДЦ-конденсатор включают В гзысокочастотныймост, и при отличии его емкости отэталонной сиГнял рассОГлясовяная спомОЩью системы Обратной сййзи ггтрЯбатывает изменение напряжения иа эатВоре структуры, Амплитуду С 11111 яля71(1) опРеДелЯ 1 от ДетектоРомь синхРО"Жиэированным с осциллирующей сос 1"явЛЯ 1 ОЩЕй ВРЕМЕННОЙ ЗЯВИСНМОСТИ ТЕ 1 ПЕРЯтсУРЫПОВТОРЯЮг УКЯЗЯННЫЕ НЭМЕВЕНЧг 1при температурах 1 ООь 15 оь 2 ОО р;25 О К,АНЯ гнз Эк СПЕРИгЕНТЛЬН 11гЯНсгсс 1 ГСООТВРТСТВИИ С рЯСЧЕТНЫ 1 ггс. 1 гор 11 уг 1 ЫИПоказал что энергетическийг спектр ЙСблизок к квазидискРетномУь Я эначения измеряемых сигналов максимальны в Окрестности температуры Т=200 К, .Бля количественного определения параметров ПС измерения повторяют в Области этой температуры Т, 18 ОК с юагом по Т ; 5 К. Обработка результатв 11 э."е 1 ий и соответствии с расггет "гМ. 11; гсьгс "ЯМг 1 Для 1=25 МС даЛЯ Т д=2.: .;, .ь = 1 1 О" см; Е = О,36 ЭВ ь дс( Е Тд 1 11.г г М.-. р м у л а и э о б р е т е н и я Огособ Определения параметров пограничных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик вклю"ч 1 юо 1 пй установлсние температуры обРЯЗЦЯ Гб ь ЭЯРЯДкУ ОбРЯЗЦЯ ь выполненНОГО В ВИДЕ 1 ЦЧ-КОНДЕНСЯТОРаь ДО ПРЕ- рО цельного эяполнРння пОГраничных состояний путем подачи на затвор Мд 11- конденсатора обога 111 агющего напряже"сИЯ ПОДЯЧУ 5 бЕДНс 1 ОЩ 1 О Н 1 ПРЯЖЕНИЯсоз,цающего у границы полупроводника 25 с диэлектриком обедняющий изгиб зон,1 РИ КОТОРОМ ЭЯПОЛНРНИР ПОГРЯНИЧНЫХсостояний становится неравновесным,сг"Ябилнэац 1 ао высокочастотной емкостиВ цепи затвор - подложка, измерение р 1 временных эавискмостей напряжения на,",ятворе 7(г,) или разрядного токаЪ(") МЦП-конденсатораь повторениеПЕРЕЧИСЛгЕ 11 НЫХ ОПЕРаЦИй ПРИ ДРУГИХ тЕМ 11 сратурах образца, о т л и ч а 1 ощ и й с я тем, что, с целью обеспеПения возможности измерения сечениязахвата носителей заряда на пограничные состояния и повыщення точности определения плотности пограничных сос то:нии для каждого значения Т тем"11 ературу образца модулируют пс периог,гггЯС 11 ОМг ЭЯКО 11 Л Т=Т +Д Г(Г,) С ПЕрИОдом 8 и амплитудой 11, удовлетворяющиМИ УСЛОВИЯМ й 871 И д К.,о/ЕьИ ,;- рЕГ 11 Стр 1 гругОТ ВрЕМЕПНЫЕ ЭаВНСИМОСтнМОНОТОННО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ СОСТЯВЛЯЮЩИХНангргсг 1 е 1 ИЯ НЯ ЭЯТВООе 11 1(г ) или раЭ:ЯЦ 1 г;ГО г ОКЯ Т ( ; ) а гахжЕ ВРЕМ 1 с ННЫЕзависимости амплитуд синхронно изме- О наюцкхся с,температурой составляющих;Пряжени 1 на затворе Ч (Ь) или рязг,".1 ОГО ТОКЯ Т,( 1 Ь Прн ЭТОМ ЭНЕрГЕг 1.:ЧЕ .;:.Кй СПЕКтр ПОГраПИЧНЫХ СОСтОя".11".; 11(Е;, и сечение захвата нЯ них ,:, сноб:дрых на,сителей заРЯДа (Е, о )Ч, (С)-Ч, (2 С) Я (Е) щщщ мщ ющ 55 с 1 Со,:1 СТо 1 п 23.п 4 КТоС Г Чд(С)-Ч (2 С)1 Е= - - -о --. -- энергия бактивации пограничных состояний;1 445575 ИЯ6(Е т):-д -- -е оэ ос в9 1 О для квазидискретного спектра 1 м(Е)-1 ст,1.6 Е1 БЯ: Л 1 Ч,(С)-Ч,(2 СЧТо=Те,1 ТС 1 Ч,(С) Ч(2 С) т Т,3 сТо е ф 1 Ч 2 (С)-Чг (2 С) 16(ЕфТО) И,.ц.Д +ЕЧ;Б)-Ч 1 ТСУ 3 где Ч, (С), Ч 1(2 С), Ч(С), Ч(2 С)значения напряжений на эатво 25ре Ч, и Ч в моменты времени С и 2 С соответственно; время С отсчитывается с момента начала релаксации напряжения;Г(С) - периодическая функция с периодом В и амплитудой Д,ддля которойГЬ)ыщо;С, - характерное время прохождения температурного фронтапо области пространственно"го заряда у границы полупроводника с диэлектриком;- элементарный заряд;С - емкость единицы площади диэлектрика;е , ф- переменные интегрирования;14И - эффективная плотность состояний в разрешенной зоне;1ч - средняя тепловая скоростьсвободных носителей заряда;С - решение уравненияХп 4 КТоС Чд(С)-Ч(2 С,1) при заданных То и Е; М - концентрация пограничных состояйий с дискретным уровнем; Т," температура, при ко" торой разность Ч,(С)-Ч,(2 С) для времени С максимальна.1429648 Составитель И.петровиччикова Техред Л.Сердюкова Редактор Т,В 3 р ор М,Максимишинец сн аз 4666,4 ю вююав в юаююав юввюавювшваав юаааааводственно-полиграфнческое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная Тираж 35711 ИИ 1 И Государственного . по делам изобретений Э 5, Москва, Ж"35, Раув оиитета С открытий ай наб.,