Эффекты пространственной локализации электронных состояний и электрической неоднородности границы раздела при термоактивационном анализе Si-МОП-структур Сумарока, Александр Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Термоактивационная спектроскопия CTACD локализованных электронных состояний CJI3CD в релаксационном режиме - эффективный инструмент физики границ раздела СГР) полупроводник - диэлектрик и технологического контроля широкой гаммы приборов МДП-электроники. Методы TАС успешно работают в отношении ЛЭС, скорость термического опустошения которых превыиает скорость генерации неосновных носителей заряда СННЗ). Однако, с одной стороны, получаемая при этом информация об области ГР носит интегральный характер, т.е. не описывает пространственное расположение ЛЭС.' С другой стороны, при высоких темпах генерации ННЗ, в особенности при образовании канала инверсии, вкладом генерационных потоков в процесс перезарядки ЛЭС пренебрегать нельзя, и возникавт принципиальные задачи идентификации процессов опустошения ЛЭС на "фоне" генерации ННЗ. Отсутствие данных о проявлениях в сигналах ТАС пространственного распределения ЛЭС и электрической неоднородрости ГР, присущей большинству реальных объектов, не позволяет решить основную задачу ТАС - установить природу ЛЗС и электрических неоднородностей ГР.

Таким образом, изучение эффектов пространственной локализации электронных состояний и электрической неоднородности ГР при релаксационном термоактивационном анализе характеристик ЛЭС и явлений генерации ННЗ - актуальная и практически значимая задача.

Целью настоящей работы является развитие аналитического и экспериментально - методического аппарата ТАС и применение его для определения у ГР кремний - окисел пространственной и энергетической локализации электронных состояний и для установления механизмов гене-

4 рации ННЗ.

В этой связи поставлены и решены следующие задачи:

- выяснены условия эксперимента и развиты алгоритмы обработки
данных по TАС. обеспечивающие возможность получения сведений о прос
транственных характеристиках ЛЭС;

- разработана и реализована автоматизированная на базе персонального компьютера "Электроника МС 0513" экспериментальная установка для термоактивационного анализа электронных свойств ГР полупроводник - диэлектрик в режимах стабилизации и измерения высокочастотной емкости МДП-структур;

проведен анализ проявлений в температурной зависимости эффективного уровня энергии Ёт, разделяющего уже пустыа и еще заполненные ЛЭС с гладким спектром, дискретных ЛЭС;

развит алгоритм обработки экспериментальных кривых ЁмСТ), позволяющий выделять дискретные объемные уровни на фоне-поверхностных состояний с гладким спектром;

рассчитаны временные и температурные зависимости высокочастотной емкости и тока разряда Ш-структуры, связанные с термической генерацией ННЗ через глубокий объемный уровень в процессе релаксации образца от состояния неравновесного обеднения к состоянию глубокой инверсии; при этом учтены набег потенциала на слое инверсии, и вклад опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон и ток разряда МДП-структуры;

развита . методика экспериментов и алгоритм обработки опытных данных, позволяющие идентифицировать составляющие сигналов ТАС, обусловленные генерацией ННЗ и опустошением глубоких объемных уровней, и определять характеристики центров генерации;

-в режиме термоактивированной релаксации экспериментально исследована генерация дцрок в электрически однородных n-Si - МОП -

СТРУКТуРЭХ" оЙНаРУЖвНО ХОРОШвЭ соРЛЗСИО М6ЖДУ ТбООИЄЙ и эксперименТОМ и УСТЗНОВЛвНО ЧТО ЦЄнТРОМ ГЄНЄПЗШ'И является глуБОКИЙ дОНОБ с

энергией активации О 79 "^ 0 01 оВ концентоэшзя kotodopo резко спа-

ЯЗЄТ ВГЛУЙЬ ПОЛУГШОВОДНИКЭ"

-обнаружены аномалии термической генерации ННЗ у ГР n-Si-Si0₂ с врожденной и индуцированной ионный зарядом в окисле электрической неоднородностью: узкие низкотемпературн!е пики - "предвестники" тока термогенерации дьрок;

- показано что природа этих аномалий связана с термополевой активацией центров генерации в сильных локальных полях, обусловленных электрической неоднородностью границы раздела.

Научная новизна. Развиты алгоритмы обработки экспериментальных данных по ТАС, позволяющие находить температурную зависимость координаты центроида вытекающего из МДП-структуры заряда ZcCT) и тем самым вьщелять из полного сигнала ТАС составляющие от различных областей ГР полупроводник - диэлектрик. Вычислена температурная зависимость эффективного уровня энергии ЕвСТЗ, разделяющего уже пустые и еще заполненье ЛЭС с гладким и дискретным спектром; моделированием на ЭВМ продемонстрировано, что интерпретация стандартных данных по TАС в этом случае на основе известных теоретических представлений приводит к физически абсурдным результатам. Показано, что изменение набега потенциала на слое инверсии и вклад опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон и ток разряда МДП - структуры при термической генерации ННЗ через глубокий объемный уровень весьма существенно влияют на форму пика разрядного тока. Учет этих факторов позволил построить теорию, количественно согласующуюся с экспериментом. выполненным на n-Si-МОП-структурах. Продемонстрированы возможности выделения вклада в сигналы TАС от объемных уровней, прилегающих к зоне ННЗ, и анализа пространственного распределения таких

уровней вдали от ГР полупроводник - диэлектрик, что в принципе нельзя сделать традиционными методами. Обнаружены аномалии термогенерации ННЗ у ГР n-Si-Si0₂ с врожденной и индуцированной ионным зарядом в окисле электрической неоднородностью, связанные с термополевой активацией центров генерации в сильных локальных полях, обусловленных электрической неоднородностью ГР. Указаны качественные критерии проявления электрической неоднородности ГР.

Практическая ценность работы. Развитый аналитический и экспериментально - методический аппарат существенно расширяет возможности методов ТАС за счет определения энергетических и пространственных характеристик центров генерации ННЗ и идентификации электрической неоднородности поверхностей раздела. Это открьвает новье пути для эффективного контроля и многоплановой физической диагностики реальных ГР полупроводниковых структур, широко используемых в современной электронике и микроэлектронике.

Результаты диссертационной работы используются в ИРЭ РАН при проведении плановьк НИР и в связи с разработкой и созданием полупромыиленного образца термоактивационного спектрометра для неразрушающего контроля электрофизических параметров МДП- структур - основы полевых транзисторов,приборов с зарядовой связью, систем динамической и постоянной СМНОГО памяти. Основные положения выносимые на защиту:

1. Совместный анализ сигналов TАС - температурных зависимостей термостимулированного тока КТ) и высокочастотной емкости ChfCT) МДП - структур позволяет найти температурную зависимость координаты центроида вытекающего из МДП - структуры заряда ZcCT), характеризующую, в частности, пространственное расположение ЛВС.

2. При сосуществовании у ГР полупроводник - диэлектрик дискретных ЛЭО и пограничных состояний с гладким спектром на температурной за-

7 висимости эффективного уровня энергии EmCTD разделяющего уже пустые У[ Щ9 заполненные ЛВС возникают экстремумы что приводит к ческим особенностям в функции плотности состояний Спетлям] и в энергетической зависимости частотного фактора Сскачки] в области энергий, соответствующих локализации экстремумов. Подгонка теоретической зависимости EmCTD, рассчитанной для случая суперпозиции ЛЭС с гладким и дискретным спектром, к экспериментальной кривой EmCTD позволяет разделить вклад в зависимость EmCTD от состояний каждого типа и определить функцию плотности состояний и параметры дискретного уровня.

3. Временные и температурные зависимости тока разряда и ВЧ - емкости МДП - структуры, рассчитаннье для режима термической генерации НТО через глубокий объемный уровень с учетом набега потенциала на слое инверсии и вклада опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон в полуповоднике и в разрядный ток, позволяют определить по экспериментальным данным характеристики центров генерации ННЗ и их пространственное распределение вдали от ГР полупроводник - диэлектрик.

4. Врожденная и индуцированная ионным зарядом в окисле электрическая неоднородность ГР n-Si - окисел промотирует характерные аномалии термической генерации ННЗ: узкие и широкие пики разрядного тока, сильно смещающиеся с ростом поля к необычно низким температурам. что обусловлено термополевой активацией центров генерации ННЗ в сильных локальных полях, обусловленных неоднородностью поверхности раздела. Факт наблюдения в относительно слабых полях s10^sB/cm такого рода аномалий - чувствительный индикатор электрической неоднородности ГР.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладьвались на 3 Всесоюзном совещании -- семинаре "Математическое мо-

делирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" СОдесса 1988г.D, на Всесошной научно -технической конференции "Методы и средства диагностирования электронной техники" СМосква, 1989г.D, на научных семинарах ИРЭ РАН и МГУ ин. Ломоносова.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. Список трудов приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы из- 40 наименований и приложения. Она содержит 54 страницы текста и 23 рисунка. Ее общий объем 84 страницы.