Описание экспериментальной установки

Введение

Одной из тенденций развития полупроводниковой электроники является уменьшение размеров полупроводниковых приборов и повышение степени интеграции интегральных микросхем. В основе работы полупроводниковых приборов и интегральных микросхем лежат электронные процессы в твердом теле.

Уменьшение размеров приводит к тому, что главную роль начинают электронные процессы, протекающие в поверхностном слое полупроводника. Поверхностный слой, о котором идет речь, имеет толщину, соизмеримую с размерами приборов и элементами интегральных микросхем. Процессы, происходящие на поверхности полупроводниковых кристаллов, оказывают влияние на объемные свойства материалов и определяют многие электрические параметры приборов.

Например, генерация носителей у поверхности увеличивает обратные токи p-n-переходов. Образование инверсионных слоев приводит к возрастанию обратных токов и снижению напряжения пробоя. Из-за экранировки внешних воздействий поверхностными состояниями в диэлектрике МДП-транзистора, при подаче открывающего напряжении на затвор не происходит образования инверсионного канала.

Поэтому необходимо учитывать величину и знак заряда, находящегося в окислах и другого рода пленках на поверхности полупроводников.

Исследование заряда на поверхности является важной составляющей заключительного цикла технологии производства интегральных микросхем.

Лабораторная работа№1

"Определение электрических параметров МДП-структур C-V методом".

Цель работы: измерение величины поверхностного заряда, времени релаксации инверсного слоя и времени жизни неосновных носителей в приповерхностных областях МДП структур с помощью C - V метода.

Общие сведения

Существует ряд причин, приводящих к появлению локальных электрических зарядов в диэлектрическом слое МДП-структуры: заполнение электронных ловушек на границах раздела и в объеме диэлектрика, появление нескомпенсированных ионов, элекронно-ионные процессы, происходящие на границе полупроводник-диэлектрик.

Величина поверхностного заряда определяет ряд основных параметров МДП-транзисторов: пороговое напряжение, крутизну, подвижность носителей. В настоящей работе измеряется так называемый фиксированный поверхностный заряд, который возникает после изготовления МДП-структуры, располагается на границе раздела полупроводник - диэлектрик и определяется заряженными дефектами и ионными примесями на границе раздела. Этот заряд не изменяет своего положения при наличии электрических полей и своей величины при изменении положения уровня Ферми на поверхности полупроводника.

Второй важный поверхностный параметр, измеряемый в настоящей работе, скорость генерации неосновных носителей заряда у поверхности МДП-стуктуры. Дефекты вблизи поверхности могут существенно изменить скорость генерации носителей и соответственно изменить такие параметры МДП-транзистора как токи утечки пробивные напряжения и другие. Скорость генерации при использовании C - V метода определяется с помощью измерения времени релаксации инверсного слоя.

Измеряемая МДП-структура представляет собой плоский конденсатор, один электрод которого является монокристаллическим полупроводником (обычно кремний), покрытый слоем диэлектрика (окисел кремния), а второй электрод металлический; его площадь и определяет площадь конденсатора.

Зависимость емкости такого конденсатора от внешнего приложенного напряжения, известная как C - V кривая МДП-структуры, изображена на рис. 1.1 кривая (а) для N кремния при измерении емкости на высокой частоте. Эта кривая имеет три характерные области, определяемые состоянием области пространственного заряда полупроводника: 1 - область обогащения, при которой емкость определяется емкостью диэлектрика; 2 - переходная область с точкой плоских зон на поверхности полупроводника (пз) ; 3 - область инверсии, зависимая от удельного сопротивления полупроводника. Данная кривая построена для МДП структуры, у которой фиксированный поверхностный заряд (фпз) отсутствует. Напряжение точки (пз) для этой кривой определяется контактным потенциалом между полупроводниковой подложкой и внешним электородом. Появление фпз сдвигает C - V кривую по оси X

(рис. 1.1 кривая б). Разность напряжений между пз1 и пз2 определяет величину фиксированного заряда.

Рис. 1.1 С - V кривые МДП структуры.

Время релаксации инверсного слоя определяется как длительность переходного процесса изменения емкости при резком переходе от обогащения к инверсии. Отсутствие при этом неосновных носителей приводит к расширению поверхностной области пространственного заряда полупроводника и уменьшению общей емкости, которая изменяется с быстро растущем напряжением инверсии по кривой b рис. 1.2 При фиксации напряжения генерируемые неосновные носители заливают область пространственного заряда полупроводника уменьшают ее ширину и увеличивают емкость. Процесс завершается когда емкость достигнет своей равновесной величины, соответствующей области инверсии (рис. 1.2 кривая а)

Рис. 1.2 Инверсная область С -V кривой

Описание экспериментальной установки

На рис. 1.3 изображена принципиальная схема установки для осуществления С - V метода.

Основные элементы используемые в установке:

1. Высокочастотный генератор (1 МГц).

2. Резонансный усилитель.

3. Источник постоянного смещения.

4. Двухкоординатный самописец.

5. R₀ - нагрузочное сопротивление.

6. C₁; R₁ – разделительные емкость и сопротивление соответственно.

Элементы 1,2,5,6 объединены в измерительный блок.

Если нагрузочное сопротивление R₀ существенно меньше, чем емкостное сопротивление образца С_обр. на используемой частоте, то падение напряжения на R₀ будет пропорционально величине емкости. С_обр. Расчет плотности поверхностного заряда проводится по формуле:

Q_S = -( V_пз2 – V_пз1 ) C₀ /s (1)

Q_S – плотность поверхностного заряда.

V_пз1 – теоретическое значение напряжения точки плоских зон (Y=0) с учетом контактного потенциала.

V_пз2 – экспериментальное значение положения точки плоских зон.

C₀ – емкость диэлектрика.

s - площадь МДП-структуры.

В формуле (1) предполагается, что основной заряд сосредоточен на границе раздела кремний – окисел.

Время релаксации инверсного слоя определяется после переключения полярности напряжения на блоке 3, соответствующего переходу поверхностной области полупроводника от обогащения к инверсии (начальный отсчет времени) и завершается при достижения емкостью МДП-системы точки 0,9(С_и - С_нач); где С_и - равновесное значение емкости в инверсии, С_нач - начальное значение емкости после переключения напряжения. В зависимости от длительности релаксации отсчет времени можно проводить с помощью секундомера или электронных часов.