Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Радиационные дефекты в структурах металл диэлектрик-полупроводник и методы их исследования 10
I. 1. Радиационное дефектообразование в МДП-структурах на основе кремния и арсенида галлия 10
1.2. Стационарные методы исследования параметров МДП-структур 21
I.3. Нестационарные методы исследования параметров МДП- структур 30
I. 4. Методы исследования пространственного распределения объёмного заряда в диэлектрических слоях МДП-структур 39
ГЛАВА II. Исследование радиационных и электро магнитных воздействий на спектр глубоких уровней полупроводников 46
II. 1. Автоматизированный DLTS-спектрометр 46
II. 2. Эффект радиационной аннигиляции дефектов в диодах Шоттки на кремнии и арсениде галлия 65
II. 3. Воздействие импульсных магнитных полей на спектр глубоких уровней кристаллов арсенида галлия 69
ГЛАВА III. Исследование воздействии ионизирующих из лучений на структуры металл-диэлектрик полупроводник 76
III. 1. Автоматизированный комплекс для исследования радиационных дефектов в тестовых структурах МДП интегральных схем 76
III. 2. Исследование радиационного дефектообразования в МДП структурах 84
III.3. Эффект образования внеэлектродного инверсионного слоя в облученных МДП-структурах 97
ГЛАВА IV. Исследование пространственного распределения радиационного заряда в диэлектрике мдп-структуры по токам внутренней фотоэмиссии 110
IV. 1. Методика определения пространственного распределения радиационного заряда в диэлектрике МДП-структуры 110
IV. 2. Автоматизированная установка для фотоэмиссионных исследований в МДП-структурах 116
IV. 3. Экспериментальное определение пространственного распределения радиационного заряда в диэлектрике МДП-структуры 126
Выводы к главе IV 129
Заключение 131
Список использованных источников 133
- Стационарные методы исследования параметров МДП-структур
- Эффект радиационной аннигиляции дефектов в диодах Шоттки на кремнии и арсениде галлия
- Исследование радиационного дефектообразования в МДП структурах
- Автоматизированная установка для фотоэмиссионных исследований в МДП-структурах
Введение к работе
Исследование дефектов с глубокими уровнями в полупроводниковых материалах и многослойных структурах на основе полупроводников является одним из основных направлений физики полупроводников. Постоянная потребность в таких исследованиях связана с разработкой новых полупроводниковых материалов и приборных структур на их основе для элементной базы твердотельной электроники.
Основные проблемы, возникающие при анализе, интерпретации и моделировании формирования дефектов с глубокими уровнями в многослойных структурах на основе полупроводников (структурах типа металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник), обусловлены тем, что наблюдаемые изменения электрофизических параметров исследуемых структур являются интегральным результатом дефектообразования, происходящего по разным механизмам в полупроводнике, диэлектрике и на границе их раздела. Эти проблемы могут быть разрешены только при комплексном исследовании, обеспечивающем возможность независимого контроля и разделения процессов образования дефектов в полупроводниках, диэлектриках и на границах их раздела. Комплексный подход к исследованию дефектов с глубокими уровнями в многослойных структурах на основе полупроводников подразумевает совместное использование набора прецизионных электрофизических методов исследования дефектообразования в полупроводниковых подложках, диэлектрических слоях и границах раздела полупроводник-диэлектрик в исследуемых структурах.
Необходимость решения указанных проблем определяет актуальность разработки комплекса прецизионных электрофизических методов исследования дефектов с глубокими уровнями в слоях и на границах раздела структур типа металл-полупроводник (МП) и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), включая создание универсального прецизионного измерительного оборудова-
ния, которое позволило бы реализовать совместное использование существующих и разрабатываемых методов.
Цели и задачи исследования.
Цель работы состояла в разработке комплекса электрофизических методов исследования дефектов с глубокими уровнями в многослойных структурах на основе полупроводников и создании универсального прецизионного измерительного оборудования, обеспечивающего реализацию методов нестационарной спектроскопии глубоких уровней (Deep Level Transient Spectroscopy -DLTS), емкостной, токовой и фотоэмиссионной спектроскопии.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования.
Разработка прецизионного метода DLTS для исследования дефектов с глубокими уровнями в полупроводниках, создание оборудования для его реализации и проведение исследований воздействия радиации и электромагнитных импульсов на спектры глубоких уровней в кристаллах Si и GaAs.
Разработка комплекса емкостных и токовых методов исследования дефек-тообразования в МДП-структурах, создание универсальной автоматизированной измерительной установки для его реализации и исследование радиационного дефектообразования в МДП-структурах методами вольт-фарадных характеристик, подпороговых токов и токов накачки заряда с учетом пла-нарной неоднородности и краевых эффектов.
Разработка метода исследования пространственного распределения радиа-ционно-индуцированного заряда в диэлектрических слоях МДП-структур с глубокими уровнями по токам внутренней фотоэлектронной эмиссии.
Научная новизна.
1. Предложен способ определения эффективного заряда в полупроводнике, эффективной плотности поверхностных состояний и фактора гетерогенно-
сти поверхностного потенциала в МДП-транзисторных структурах из совместных измерений токов накачки заряда и подпороговых токов.
Разработан метод определения пространственного распределения объемной плотности радиационно-индуцированного заряда, локализованного на дефектах с глубокими уровнями в диэлектрике кремниевой МДП-структуры, по вольт-амперным характеристикам токов внутренней фотоэлектронной эмиссии.
Предложен метод определения проводимости внеэлектродного инверсионного слоя в МДП-структуре с локализованным зарядом в диэлектрике по активной составляющей адмиттанса структуры, являющийся более чувствительным по сравнению с известным емкостным методом.
Впервые методом DLTS наблюдался эффект уменьшения концентрации исходных дефектов в кристаллах кремния и арсенида галлия в результате воздействия малых доз гамма-излучения.
Впервые наблюдался эффект изменения DLTS-спектра поверхностных электронных состояний в кристаллах арсенида галлия в результате воздействия импульсного магнитного поля.
Положения, выносимые на защиту.
1. Разработанный метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней,
основанный на автогенераторном способе регистрации высокочастотной
ёмкости при малой амплитуде тестового сигнала, обеспечивает измерение
релаксации емкости с относительным разрешением АС/С < 10"5, что по-
11 "X
зволяет обнаруживать глубокие уровни с концентрацией до 10 см" . Повышение достоверности определения параметров глубоких уровней достигается регистрацией семейства характеристик изотермической релаксации емкости в широком температурном интервале.
2. Воздействие гамма-излучения Со60 в диапазонах доз до 104 Р для кристал
лов Si и до 5-Ю6 Р для кристаллов GaAs приводит к уменьшению ампли
туды максимумов исходных спектров DLTS без образования новых мак-
симумов, что свидетельствует о снижении концентрации исходных дефектов в результате их взаимодействия с радиационными дефектами.
Воздействие импульсного магнитного поля с индукцией до 0,5 Тл на кристаллы GaAs приводит к изменению спектра DLTS поверхностных электронных состояний, что может быть обусловлено снятием спиновых запретов на дефектные реакции в магнитном поле.
Комплекс емкостных и токовых методов исследования дефектообразова-ния в МДП-структурах и универсальная измерительная установка, реализующая методы вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, включая измерение подпороговых токов и токов накачки заряда, позволяет разделить эффекты воздействия радиации на полупроводник, границу раздела полупроводник-диэлектрик и диэлектрик МДП-структуры.
Расчет сопротивления внеэлектродного инверсионного слоя по активной составляющей адмиттанса существенно расширяет диапазон измеряемой величины по сравнению с известным методом расчета по реактивной составляющей.
Вольт-амперные характеристики фотоэмиссионного тока позволяют определить параметры пространственного распределения радиационного заряда в диэлектрике кремниевой МДП-структуры.
Практическая значимость.
Автогенераторный DLTS спектрометр обеспечивает возможность автоматизированных исследований дефектов с глубокими уровнями в полупроводниках с повышенной точностью.
Универсальный измерительный комплекс для электрофизических исследований многослойных структур на основе полупроводников емкостными и токовыми методами позволяет исследовать радиационные, электромагнитные и иные воздействия на характеристики слоев и границ раздела МДП-структур и, в частности, может использоваться для контроля радиационной стойкости МОП (КМОП) интегральных схем.
Предложенный метод расчёта сопротивления внеэлектродного инверсионного слоя по активной составляющей адмиттанса МДП-структуры существенно расширяет диапазон определения параметра по сравнению с известным методом расчета по реактивной составляющей.
Предложенный метод исследования распределения заряда в диэлектрике кремниевой МДП-структуры по токам внутренней фотоэлектронной эмиссии может использоваться при оценке качества и радиационной стойкости подзатворных диэлектриков.
Практическая реализация результатов работы.
Разработанные методы исследования радиационного дефектообразова-ния в МДП-структурах и оборудование, созданное для их реализации используются в НИР ВГУ по разработке контроля радиационной стойкости КМОП БИС, выполняемых для ФГУП ЦНИИмаш.
Конкретное личное участие автора в получении научных результатов.
Лично автору принадлежит разработка новых методов ёмкостной, токовой и фотоэмиссионной спектроскопии исследования дефектов в полупроводниковых кристаллах, на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в диэлектрических слоях многослойных структур, создание автоматизированного оборудования для реализации разработанных методов, проведение экспериментальных исследований радиационных и электромагнитных воздействий на дефектность многослойных структур на основе полупроводников, интерпретация полученных результатов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ниже перечисленных конференциях и семинарах: Международная научно-техническая школа-семинар " Молодые ученые 2002", (Москва, 2002); Международная научно-техническая конференция "Молодые ученые - науке, тех-
нологиям и профессиональному образованию", (Москва, 2003); V Международная конференция "Кибернетика и технологии XXI века" (Воронеж, 2004); Международная научная конференция "Тонкие пленки и наноструктуры", (Москва, 2004); V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2005", (Зеленоград, 2005).
Публикации.
По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 13 печатных работ, в том числе 8 статьях и 5 материалах докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 152 наименования. Объём диссертации составляет 148 страниц, включая 55 рисунков.
Стационарные методы исследования параметров МДП-структур
Воздействие радиации приводит к образованию радиационно-индуцированного заряда в диэлектрике МДП-структуры, изменению плотности поверхностных состояний (ПС) на границе раздела диэлектрик - полупроводник (ДП). Стационарные электрофизические методы являются основными методами позволяющими определять эти параметры. Стационарное распределение потенциала в МДП - структуре: где ms - контактная разность потенциалов металл - полупроводник (МП), Ч и % - поверхностный и объемный потенциалы в полупроводнике, Сох - емкость слоя окисла, Qsc- заряд ОПЗ полупроводника, Qss- заряд на ПС границы раздела ДП, Qot = Сох VFB - фиксированный заряд в диэлектрике, VFB - напряжение плоских зон. Заряд на ПС QssOFs) связан с распределением плотности ПС по ширине запрещенной зоны полупроводника следующим образом: где q - элементарный электрический заряд. Продифференцировав (1.2.1) по Ч , можно определить спектр ПС: входящей в (1.2.3), известен [43], то проблема нахождения спектра ПС сводится к экспериментальному определению зависимости поверхностного потенциала полупроводника 4 5 от напряжения на затворе МДП - структуры Vg. 1.2.1. Метод высокочастотных вольт - фарадных характеристик (ВФХ) При высокой частоте (ВЧ) измерительного сигнала ПС не успевают перезаряжаться и, следовательно, не дают непосредственного вклада в ёмкость МДП - структуры, то есть Css = 0, и, следовательно, ВЧ емкость структуры Chf определяется последовательно соединенными емкостями диэлектрического слоя и ОПЗ полупроводника: С учетом известной теоретической зависимости Csc(ips,ipb) уравнение (1.2.4) позволяет установить величину поверхностного потенциала Ч , соответствующего поданному на затвор напряжению Vg. Производная зависимости tys(Vg), необходимая для расчета спектра ПС, может быть найдена дифференцированием (1.2.4): v s /
Входящие в правую часть уравнения (1.2.5) ВЧ ёмкость МДП - структуры и ее производная по напряжению на затворе измеряются экспериментально, а спектр ПС рассчитывается подстановкой (1.2.5) в (1.2.2). Метод ВЧ ВФХ позволяет найти спектр ПС в области обеднения (0 г)5 г)ь), где ВЧ ёмкость МДП - структуры зависит от напряжения на затворе. При низкой частоте (НЧ) измерительного сигнала ПС успевают перезаряжаться и дают непосредственный вклад в емкость МДП - структуры: В отличие от (1.2.4) уравнение (1.2.6), содержащее неизвестный член CssC s)13 4Nss(ips), не позволяет определить значение поверхностного потенциала, соответствующего поданному на затвор напряжениюVg. Используя (1.2.6) можно выразить плотность ПС через НЧ ёмкость С„: (1.2.3) и (1.2.7) позволяет получить уравнение: проинтегрировав которое, можно установить связь между значения Vg и Ч : Для корректного определения входящей в (1.2.9) константы интегрирования si и выбора истинного спектра ПС требуются дополнительные измерения (например, ВЧ ВФХ), позволяющие найти зависимость поверхностного потенциала от напряжения на затворе хотя бы в одной точке. На практике применяется метод ВЧ ВФХ с использованием НЧ измерительного сигнала [44], а также измерение квазистационарного тока при подаче на структуру линейно изменяющегося напряжения Vg(t) = at [45, 46], где а - постоянная, определяющая скорость изменения напряжения. Во втором случае измеряемый во внешней цепи ток смещения пропорционален ёмкости МДП - структуры: Метод был предложен Ни-коллианом и Гоетцбергером [47, 48]. Эквивалентная схема МДП -структуры может быть представлена в виде, показанном на рисунке 3, где Ср и Gp определяются выражениями: состоит в следующем. Измеряется комплексная проводимость всей структуры. Емкость диэлектрика Сох находят из измерения ВФХ в режиме обогащения. Затем рассчитывается комплексная проводимость составляющей эквивалентной схемы, представляющая собой параллельное соединение емкости полупроводника и последовательной RSSCSS-цепочки. Для этого комплексная входная проводимость пересчитывается во входной импеданс из которого вычитается реактивная составляющая, обусловленная емкостью диэлектрика. Полученный при этом импеданс затем снова преобразуется в комплексную проводимость, составляющие которой теперь вычисляются по (1.2.11) и (1.2.12).
Активная составляющая этой проводимости определяется только параметрами поверхностных состояний и не зависит от емкости полупроводника. Таким путем определяют зависимость Gp/co при фиксированных значениях напряжения смещения на структуре. Полученная зависимость имеет максимум при со = 1/т, что позволяет непосредственно определить характерное время т перезарядки поверхностных ловушек. Значение Gp/co в максимуме равно Css/2. Таким образом, метод позволяет определить величину т и плотность ПС по величине Css. Следует отметить, что метод дифференциальной проводимости дает более точные и надежные результаты, чем емкостные методы особенно при малых значениях плотности ПС. Применение методов вольт - фарадных характеристик при исследовании МДП - элементов интегральных схем затруднительно, ввиду малых размеров последних. В этих случаях используются токовые методы. Стационарная сток - затворная ВАХ длинноканального МДП - транзистора в подпороговой области описывается уравнением [49]: где р s q / kT , VT - пороговое напряжение Vc - напряжение на затворе МДПТ, Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана, Io = ID(VJ).
Эффект радиационной аннигиляции дефектов в диодах Шоттки на кремнии и арсениде галлия
В данном разделе представлены результаты исследования воздействия гамма-излучения на спектр глубоких уровней в кремнии и арсениде галлия [113]. Исследования проводились на диодах Шоттки, сформированных на кристаллах кремния и арсенида галлия, выращенных по методу Чохральско-го. Для создания образцов использовались полированные пластины кремния марки КЭФ-7,5 с кристаллографической ориентацией 111 и арсенида галлия л-типа проводимости с концентрацией основных носителей 2-Ю16 см "3, с кристаллографической ориентацией 111 . Выпрямляющие контакты металл-полупроводник формировались термическим напылением алюминиевых электродов диаметром 0,8мм и тол-щиной 500 нм через молибденовую маску в вакууме не хуже 10" Па без специальных термообработок. Омический контакт создавался механическим нанесением эвтектической смеси индий - галлий на тыльную сторону образца. Радиационное воздействие осуществлялось гамма-квантами с энергией 1,25 МэВ на установке "Исследователь" источником 60Со. Экспозиционная доза варьировалась от 104 до 5 106 рентген (Р). Мощность дозы излучения составляла 80 Р/с. Измерение параметров ГУ проводилось на DLTS-спектрометре, представленным в пункте 2. 1 настоящей работы, в диапазоне температур (80 -г 360) К с шагом 2 К и в следующих режимах: амплитуда инжектирующего импульса 1В, длительность импульса 10 5 с, обратное смещение выбиралось в пределах (-0,2 -г -2) В. На рисунке 18 представлены результаты исследования ГУ в кремнии. На исходном DLTS - спектре (кривая 1) имеется пик, соответствующий известному уровню дивакансии [14 - 16, 114, 115] с энергией активации (Ес - (0,21 4- 0,23)) эВ и концентрацией 2,1-Ю14 см"3 [116]. Здесь Ес - энерге тическое положение дна зоны проводимости полупроводника. Воздействие гамма - квантов приводит к немонотонному изменению амплитуды этого пика, что свидетельствует о немонотонном изменении концентрации дефектов в области пространственного заряда полупроводника. На первом этапе, до величины экспозиционной дозы 104 Р, наблюдается уменьшение концентрации электрически активных дефектов до 1,7-1014 см"3 (кривая 2). Затем, с увеличением дозы радиации, концентрация дефектов растет и при дозе 5-Ю6 Р составляет 2,7-1014 см"3 (кривая 3). На рисунке 19 представлен DLTS-спектр диодов Шоттки, сформированных на GaAs. В спектре GaAs обнаруживаются известные глубокие уровни EL6 (энергия активации (Ес - 0,4) эВ) и EL2 (энергия активации (Ес -(0,70 0,80)) эВ), которые имеют однородное распределение по объему и концентрацию (1015 1016) см 3, сравнимую с концентрацией мелких доноров [117, 118].
Кроме этого, у некоторых образцов обнаружены уровни поверхностных электронных состояний (ПЭС), локализованные вблизи поверхности с энергией активации в интервале (Ес - (0,40 - 0,50)) эВ, что свидетельствует об их непрерывном спектре распределения. В результате воздействия гамма-излучения наблюдается монотонное уменьшение амплитуды пиков, соответствующих глубоким уровням EL6 и EL2, что соответствует уменьшению концентрации ГУ от 1,8-1015 см"3 до 0,7-1015 см"3 для EL6 и от 6,8-1015 см"3 до 3,9-1015 см"3 для EL2. Наблюдаемый характер изменения уровня дефектности полупроводниковых кристаллов в результате воздействия гамма-излучения может быть объяснен следующим образом. В исследуемых образцах кремния основным типом дефектов является дивакансия - комплекс двух связанных вакансий, который, будучи при комнатной температуре является термодинамически устойчивым дефектом, неподвижен в кристалле. Воздействие гамма-излучения приводит к образованию пар Френкеля - переходу атома кремния из узла кристаллической решетки в междоузлие с образованием вакансии. Образовавшиеся точечные дефекты начинают двигаться в объеме кристалла под действием полей упругих напряжений, образованных исходными структурными дефектами. Атом кремния из междоузлия может быть захвачен дивакансией. Образовавшаяся при этом свободная вакансия становится подвижной и диффундирует при комнатной температуре к стокам, которыми могут являться дислокации, крупные вакансионные комплексы, кислородные преципитаты и др. В результате дефектность полупроводника снижается. При увеличении дозы радиации, растет концентрация образующихся точечных дефектов и, следовательно, возрастает вероятность образования новых вакансионных комплексов, что ведет к росту дефектности полупроводника. Соотношение интенсив-ностей этих двух процессов определяется исходной дефектностью кристалла, и может приводить к разному характеру зависимости результирующей концентрации дефектов от дозы радиации. Видимо, аналогичные эффекты дефектных перестроек под действием радиации ответственны за изменение спектра DLTS в арсениде галлия. По мнению авторов [5 - 10,118] уровень EL6 обусловлен комплексами дефектов с участием вакансий мышьяка (VAS) ИЛИ комплексом антиструктурный дефект (атом мышьяка на месте атома галлия) - вакансия галлия (ASGA - Vca) [5 - 10, 119].
Донорный уровень EL2 обусловлен комплексом антиструктурный дефект - мышьяк в междоузлии (AsGa - ASj) [5 - 10, 119 - 121]. Воздействие радиации приводит к генерации точечных дефектов. Двигаясь к стокам, они могут взаимодействовать с вакансионными комплексами, что в конечном итоге приводит к распаду этих комплексов, диффузии свободных вакансий к стокам и аннигиляции. В итоге исходный уровень дефектности снижается. Полученные результаты согласуются с известным эффектом "малых доз", который заключается в упорядочении структуры полупроводниковых кристаллов в результате радиационных воздействий [122 - 124]. Авторами был обнаружен эффект повышения структурного совершенства кристаллов Si и GaAs в результате воздействия гамма-излучения Со6 с энергией 1,25 МэВ и электронов с энергией 1,8 МэВ. Степень совершенства кристаллов контролировалась путем измерения энергетических спектров обратно рассеянных каналированных ионов гелия и изменению времени жизни неосновных носителей заряда, характеристики, наиболее чувствительной к наличию точечных дефектов в кристалле. Эффект объяснялся уменьшением концентрации рекомбинационно-активной примеси за счет известных эффектов "внутреннего" геттерирования точечных дефектов поверхностями кислородных преципитатов и дислокациями в кислородосодержащем материале. Ранее сообщалось о чувствительности приповерхностных слоев полупроводниковых кристаллов к воздействию относительно слабых ( 1Тл) импульсных магнитных полей (ИМП) [125 - 127]. Наблюдались ИМП-индуцированные изменения однородности состава [125], сорбционной способности [126] и химической активности поверхности полупроводников [127]. Изменение физико-химических свойств приповерхностных слоев связывалось с инициацией магнитным полем спин - зависимых реакций дефектов в немагнитных кристаллах [128]. Можно ожидать, что реакции дефектов приводят к изменению энергетического спектра связанных с этими дефектами глубоких уровней (ГУ), что позволяет исследовать воздействие ИМП на дефектную подсистему полупроводников методами нестационарной спектроскопии ГУ (DLTS). В данном разделе представлены результаты исследования воздействия ИМП на дефектную подсистему монокристаллов арсенида галлия [129] методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней на DLTS-спектрометре, описанном в разделе 2.1.
Исследовались две партии пластин арсенида галлия (100) «-типа проводимости с уровнем легирования 2,6-1016 см"3, выращенные по методу Чох-ральского. Все пластины подвергались химико-динамической полировке в растворе Н2РО4: Н2О2: Н20=5:1:1, с последующим снятием остаточного окисла в растворе НС1:Н2О=1:10 и промывкой в деионизованной воде. Пластины одной из двух партий пластин обрабатывались в парах селена по способу [130] для снижения плотности поверхностных электронных состояний (ПЭС). Образцы для измерения спектров DLTS представляли собой диоды Шоттки с алюминиевыми электродами, термически напыленными на исследуемую поверхность. Для обеспечения омического контакта на тыльную сторону пластин наносилась индий - галлиевая эвтектика, которая обеспечивала также тепловой контакт с рабочим столиком измерительной установки. Обработка кристаллов арсенида галлия ИМП осуществлялась серией симметричных треугольных импульсов магнитного поля с амплитудой Н = 104 Э, длительностью Т = 4-Ю 5 с и частотой следования f = 50 Гц, формируемых разрядом батареи конденсаторов через малоиндуктивный соленоид. Длительность обработки ИМП составляла t = 40 с. На рисунке 20 представлены исходные DLTS спектры ГУ кристаллов арсенида галлия, не подвергавшихся воздействию ИМП. Исходные DLTS спектры имели три четко выраженных пика ГУ с энергиями (Ес - (0.38 ± 0.02)) эВ, (Ес- (0.57 ± 0.02)) эВ и (Ес - (0.76 ± 0.02)) эВ, где Ес - энергетическое положение дна зоны проводимости полупроводника.
Зависимости амплитуды пиков от значения обратного напряжения V06p подаваемого на диод Шоттки при переключении его из режима прямого смещения при заполнении ГУ электронами в неравновесное обеднение для разрядки уровней, позволяют сделать вывод о характере пространственного распределения ГУ. Снижение амплитуды центрального пика DLTS с ростом Vo6p свидетельствует о спаде концентрации ловушек, ответственных за этот уровень, вглубь полупроводника. Такие ловушки считаются поверхностными электронными состояниями (ПЭС), ответственными за закрепление уровня Ферми на поверхности кристалла GaAs [131]. Отсутствие зависимости амплитуды низкотемпературного пика и амплитуды высокотемпературного
Исследование радиационного дефектообразования в МДП структурах
В данном разделе представлены результаты исследования воздействия ионизирующих излучений на зарядовые характеристики МДП-структур. Известно, что под воздействием ионизирующих излучений (ИИ) изменяются зарядовые характеристики структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и приборов на их основе, причем эти изменения происходят как во время облучения, так и после снятия радиационного воздействия [140]. Наблюдаемый в эксперименте сложный временной характер изменения электрофизических параметров МДП-транзисторов (МДПТ) после облучения связан с одновременным протеканием процессов генерации и отжига электрически активных центров в диэлектрических слоях и на границе раздела полупроводник - диэлектрик МДП-структур. Для анализа процессов, происходящих в МДП-транзисторе при воздействии ИИ, и решения задачи выявления потенциально нестойких к воздействию радиации приборов необходимо иметь методы корректного независимого определения зарядовых характеристик границы раздела. Для этих целей широко применяется метод подпороговых токов [52]. Метод позволяет разделить пороговое напряжение МДПТ на составляющие, обусловленные изменением эффективного заряда в подзатворном окисле и на поверхностных состояниях (ПС).
При этом уменьшение крутизны вольтамперных характеристик (ВАХ) МДПТ на участке подпорогового тока связывают с увеличением плотности ПС. Исследование процессов, протекающих в системе кремний-диоксид кремния под воздействием ИИ, методом подпороговых токов показало, что эффективный заряд в окисле МДПТ и плотность ПС изменяются коррелированным образом, как в результате рентгеновского облучения, так и при последующей послеоблучательной релаксации приборов [140]. Это позволило сделать вывод о едином механизме процессов радиационной генерации и последующего отжига заряда окисла и ПС системы Si-SiC . Однако, на крутизну подпороговых ВАХ может оказывать влияние также и планарная неоднородность эффективного заряда в диэлектрике, и, следовательно, сделанные выводы о механизме радиационно-индуциро-ванных изменений в системе Si-SiC 2 не совсем корректны. В связи с этим возникает необходимость в разработке методов исследования зарядовых характеристик границы раздела полупроводник-диэлектрик учитывающих их планарную неоднородность. Задача определения поверхностных параметров в планарно-неоднородном транзисторе с длинным каналом решена [54]. Совместное измерение выходных и передаточных ВАХ на участке подпороговых токов обеспечивает возможность определения зарядовых параметров МДПТ с учетом планарной неоднородности границы раздела полупроводник-диэлектрик. Однако метод применим лишь для транзистора с длинным каналом, для которого имеет место насыщение сток-стоковой ВАХ при достаточно больших значениях напряжения на стоке. Как показано в [53], радиационное воздействие может приводить к появлению короткоканального эффекта зависимости порогового напряжения МДПТ от напряжения на стоке у транзисторов, которые до воздействия радиации вели себя как «длинноканальные». Эффект этот проявляется тем сильнее, чем меньше длина канала и выше плотность ПС в области стока. При этом применение разработанной для транзисторов с длинным каналом методики независимого определения зарядовых характеристик границы раздела, использующей метод стационарных ВАХ, ведет к ошибочным результатам. Кроме того, расчёты, проведенные в [55] показывают, что чувствительность метода предложенного в [54] при определении плотности ПС зависит от абсолютного значения спектральной плотности Nss и оказывается недостаточно высокой. В [54] предложена методика определения зарядовых характеристик границы раздела полупроводник-диэлектрик в МДП-транзисторе учитывающая эффекты короткого канала и планарной неоднородности.
Методика включает определение плотности ПС из измерений токов накачки заряда и расчет эффективного заряда в диэлектрике МДПТ и его флуктуации из совместно измеренных выходных и передаточных ВАХ МДПТ и экспериментальной зависимости порогового напряжения от напряжения на стоке.
Критерием применимости предлагаемой методики является постоянство наклона ВАХ МДПТ на подпороговом участке при изменении напряжения на стоке транзистора. В настоящей работе представлены электрофизические методы исследования радиационных эффектов в тестовых элементах МДП интегральных схем, учитывающие планарную неоднородность накопления заряда и проявление эффектов короткого канала и приведены экспериментальные результаты по исследованию процессов радиационно-индуцированного изменения зарядовых характеристик приборов. В большинстве реальных МДП-структур вследствие случайного распределения поверхностного заряда имеется статистический разброс поверхностного потенциала г)5 по границе раздела окисел-полупроводник, который описывается распределением Гаусса [48]:
Автоматизированная установка для фотоэмиссионных исследований в МДП-структурах
В данном разделе представлено оборудование для проведения фотоэмиссионных измерений при исследовании распределения пространственного заряда в диэлектрике кремниевой МДП-структуры [146]. Установка позволяет автоматизировать процессы калибровки, проведения измерений и передачи полученных результатов в компьютер для последующей обработки. На рисунке 46 показана блок-схема установки, которая является модернизированным вариантом установки, описанной в [146]. Технические характеристики автоматизированной установки для фотоэмиссионных исследований: - длины волн УФ диапазона (200 -г 400) нм; - диапазон измеряемых токов (10" -г 10" ) А; - разрешение электрометрического усилителя по току 10"13 А; - погрешность измеряемого тока менее 0,5 %; - диапазон напряжений смещения (-10 ч- +10) В; - дискретность напряжения смещения 0,02 В; - абсолютная погрешность напряжения смещения во всём диапазоне не более 0,02 В; - автоматический процесс калибровки; - отображение результатов на экране монитора в реальном времени; Автоматизированная установка состоит: датчики положения двигателей привода монохроматора и привода регулятора ширины щели, источник света, монохроматор, регулируемая щель, источник питания, электрометрический усилитель, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, мостовые коммутаторы двигателей монохроматора и регулируемой щели, схема управления установкой, интерфейс RS232C, компьютер IBM-совместимый с программным обеспечением. На рисунке 47 представлена блок-схема датчиков положения двигателя Ml привода монохроматора 1 и двигателя М2 привода регулятора ширины щели 2. Схемотехническое решение схем одинаковое, различие состоит только в конструктивном исполнении механизмов: приводов двигателей и концевых выключателей.
Концевые выключатели L и R ограничивают перемещения приводов двигателей Мій М2, задавая предельные значения регулируемого параметра. В схеме монохроматора - это минимальная и максимальная длины света, а в схеме регулировки ширины щели - закрытая и максимально открытая щель. Промежуточные значения регулируемых параметров отсчитываются по числу импульсов, формируемых прерывателем 1 (рис. 47). На пути светового потока светодиода СД к фотодиоду ФД расположен прерыватель 1, механически связанный с ротором двигателя. При вращении прерывателя, фотодиод формирует пульсирующий ток, который поступает на вход усилителя фототока 2. Для формирования сигнала прямоугольной формы используется компаратор напряжения 5, выход которого соединён с делителем 6. Каждый импульс, формируемый на выходе делителя, соответствует шагу дискретизации предела регулируемого параметра. Подсчёт этих импульсов осуществляется двоичным счётчиком 7. Результат счёта передаётся в схему управления установкой 13 (рис. 46) и переводится в значение регулируемого параметра. Для подавления эффекта "дребезг контактов" при срабатывании любого из концевых выключателей L или R, используются RS-триггеры 3 и 4. На рисунке 48 представлена блок-схема мостового коммутатора двигателя Ml привода монохроматора 12 и двигателя М2 привода регулятора ширины щели 14. Схемотехническое решение схем одинаковое. Основу схемы коммутатора составляет мостовой усилитель, выполненный на силовых транзисторах VT1 - VT4, которые управляются дешифратором 2. В диагональ моста включён двигатель постоянного тока серии ДМ. Транзисторы открываются парно VT1, VT4 или VT2, VT3, что позволяет включать двигатель и переключать направление его вращения. Через контакты АО и А1 в схему подаётся код команды от схемы управления установкой 13 (рис. 46). В качестве источника ультрафиолетового излучения (УФ) использовалась ксеноновая лампа 3 (рис. 46) марки ДКСШ-1000 с непрерывным спектром в ближней УФ области. Освещение УФ исследуемых структур проводилось через монохроматор МДР-24 комплекса КСВУ с регулируемой выходной щелью 4, 5 (рис. 46). Напряжение смещения подавалось на подложку МДП-структуры 6, металлический электрод которой соединён с "землёй" через резистор R. Измерение тока, протекающего через исследуемую структуру 6 осуществляется путем измерения падения напряжения на этом резисторе (рис. 46). Номинал этого резистора выбран с таким расчетом, чтобы падение напряжения на нем было много меньше напряжения, приложенного к исследуемой структуре. На рисунке 49 представлена блок-схема электрометрического усилителя, который состоит из транзисторно-резистивного моста и усилителя на операционном усилителе (ОУ). Во входном каскаде использован полевой транзистор КП350Д, входное сопротивление которого более 1014 Ом. Схема имеет динамический диапазон входного напряжения ±0,7 В и позволяет измерять токи до 10"13 А.
На рисунке 50 представлена схема фильтра нижних частот (ФНЧ), передаточная функция которой является фильтром Баттерворта второго порядка [146]. Граничная частота среза выбрана равной половине максимальной частоты обновления данных в схеме ЦАП. С выхода схемы ФНЧ напряжение смещения подается на подложку МДП-структуры 6. На рисунке 51 представлена блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует аналоговый сигнал с выхода электрометрического усилителя в цифровой код, передающийся в схему управления установкой. Основу схемы составляет шестнадцати разрядный сигма-дельта АЦП [136]. На входе схемы установлен масштабирующий усилитель 1, формирующий для АГЩ 2 необходимый динамический диапазон. С выхода усилителя 1 сигнал поступает на аналоговый коммутатор 2.1 и через буфер 2.3 подаётся на программируемый усилитель 2.4, коэффициент усиления которого может быть задан в пределах от 1 до 128. Сигма-дельта модулятор 2.5 и цифровой фильтр 2.6 осуществляют преобразование аналогового сигнала в цифровой шестнадцати разрядный код, который записывается в регистр данных схемы управления 2.7. При этом схема управления сбрасывает в ноль линию DRDY, сообщая схеме управления установкой о готовности к передаче данных. Передача шестнадцати разрядного результата осуществляется по-битно через линию Dout с каждым тактом на линии SCLK. Схема АЦП имеет линии сброса RST и выбора кристалла CS, а также линию Din, через которую передаются команды конфигурации и управления. Работа всей схемы синхронизируется кварцевым тактовым генератором 2.2. Прецизионный источник опорного напряжения 3 формирует постоянное напряжение 2,5В для схем сигма - дельта модулятора 2.5 и масштабирующего усилителя 1. На рисунке 52 представлена блок-схема цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который формирует сигнал смещения пилообразной формы, подаваемый на подложку исследуемой структуры. Основу схемы составляет десяти разрядный ЦАП 1. По линии Din, с каждым тактом линии SCLK, передается побитно цифровой десяти разрядный цифровой код напряжения, который записывается в сдвиговый регистр 1.3. По окончанию передачи этот код переносится в параллельный регистр 1.5 и на выходе умножающего ЦАП 1.4 устанавливается ток, пропорциональный переданному коду. Преобразование тока в напряжение осуществляется в схеме 1.6. На выходе ЦАП установлен масштабирующий усилитель 2, формирующий динамический диапазон (-10...+10) В. При этом дискретность установки выходного напряжения составляет 0,02 В. Схема содержит также источник опорного напряжения 1.1 и схему управления 1.2.
