Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей задачей, которую приходится решать разработчикам и производителям полупроводниковых приборов является определение концентрации и параметров глубоких уровней (ГУ) в полупроводниках. Связано это с тем, что ГУ определяют такую важную характеристику полупроводника как время жизни и влияют на параметры приборов гораздо сильнее, чем мелкие центры. Наличие глубоких центров - некоторых примесей, радиационных дефектов, дефектов термообработки - придаёт полупроводникам как полезные, так и нежелательные свойства. Поэтому исследование свойств ГУ является одним из основных и актуальных направлений современной физики полупроводников, что стимулирует, в свою очередь, развитие методов определения параметров ГУ.
В настоящее время для определения параметров ГУ широко используется метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ или DLTS - Deep Level Transient Spectroscopy). Достоинствами метода являются высокая чувствительность, возможность определения параметров ГУ при изменении их заполнения как основными, так и неосновными носителями, возможность исследования ГУ как в полупроводниковых приборах, изготовленных по реальной технологии, так и в исходном полупроводнике. Вместе с тем, при реализации метода возникает ряд аппаратно-измерительных, вычислительных и методологических проблем, снижающих точность, а иногда и объективность полученных данных, устранение которых особенно важно в практическом отношении.
Другую проблему создают электронейтральные дефекты, образующие ГУ в МОП структурах, не заряжающиеся под температурно-полевыми воздействиями. Такие дефекты существенным образом снижают надежность изделий, но недоступны для обнаружения и исследования электрофизическими методами. Примерами таких латентных дефектов являются напряженные Si-О связи в слоях оксида кремния или наличие в этих слоях атомарного и молекулярного водорода. Никак не проявляясь в исходных электрофизических характеристиках, указанные дефекты катастрофически снижают радиационную стойкость изделий. Выявление подобных дефектов очень важно для разработки специальных изделий, предназначенных к использованию в условиях внешних дестабилизирующих факторов. Это определяет актуальность создания методов исследования дефектов с ГУ в МОП структурах с использованием ионизирующих излучений (ИИ) в качестве тестирующего воздействия.
Основные проблемы, возникающие при интерпретации и анализе результатов экспериментальных исследований дефектов с глубокими уровнями в многослойных полупроводниковых структурах (диодах Шоттки, МОП структурах), обусловлены тем, что наблюдаемые изменения электрофизических параметров исследуемых структур являются интегральным результатом дефектообразования, происходящего по разным механизмам в полупроводниках, диэлектриках и границах раздела. Эти проблемы можно разрешить только комплексным подходом, подразумевающим совместное использование набора прецизионных методов исследования дефектов в каждом слое исследуемой структуры.
Необходимость решения указанных проблем определяет актуальность разработки прецизионных методов исследования дефектов с глубокими уровнями в слоях и границах раздела многослойных полупроводниковых структур, включая развитие существующих и апробацию разрабатываемых методов.
Цель работы: повышение эффективности методов исследования электрически активных дефектов с ГУ в полупроводниках и МОП структурах и методов, основанных на использовании радиационных воздействий, для обнаружения латентных дефектов, недоступных для контроля электрическими методами. Для этого решались следующие задачи:
Разработка прецизионных методик релаксационной спектроскопии ГУ в полупроводниках с использованием алгоритмов статистического поиска и преобразования Лапласа, создание программно-измерительного комплекса для их практической реализации.
Разработка методики определения параметров латентных дефектов с ГУ в кремниевых МОП структурах с использованием ИИ для анализа радиационной стойкости МОП ИС в условиях низкоинтенсивного (космического) облучения.
Разработка методики контроля параметров МОП структуры с учетом зарядовых флуктуации для исследования влияния флуктуации и ИИ на спектр поверхностных состояний (ПС), электрические параметры и характеристики кремниевой МОП структуры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен новый алгоритм обработки и анализа временных релаксационных сигналов, основанный на закономерностях математической статистики.
Разработана прецизионная методика определения параметров ГУ, основанная на применении метода Laplace-DLTS с регуляризацией по L-кривой (LL-DLTS методика), позволяющая определять параметры ГУ с близкими значениями коэффициентов эмиссии.
Выявлена особенность ионизации метастабильных центров, проявляющаяся в пересечении зависимостей Аррениуса для глубоких уровней бивалентного центра. Предложена модель кинетики ионизации этих центров, в соответствии с которой наблюдаемое пересечение связано с процессами обмена носителей между ГУ и зоной разрешенных энергий.
Предложена методика определения параметров радиационных дефектов из экспериментальных дозовых и релаксационных зависимостей порогового напряжения МОПТ.
Разработана флуктуапионная модель вольт-фарадной характеристики (ВФХ) МОП структуры, позволяющая учесть наличие флуктуации поверхностного потенциала полупроводника в расчетах спектра ПС и других электрофизических параметров структуры.
Научная и практическая ценность работы.
Новый статистический метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней повышает степень достоверности и точности определения параметров ГУ, определяющих характер изотермической релаксации емкости (ИРЕ) исследуемой диодной структуры.
Новая LL-DLTS методика позволяет определять параметры ГУ с близкими значениями коэффициентов эмиссии, а также параметры не только одновалентных, но и метастабильных центров, что невозможно при применении традиционного метода DLTS.
Новую модель ионизации метастабильных центров, основанную на закономерностях перезарядки уровней бивалентного центра в арсениде галлия, можно использовать при определении параметров ГУ в других полупроводниковых материалах.
Предложенная методика для определения параметров радиационных дефектов в МОПТ позволяет установить параметры ГУ и предсказать поведение МОПТ под воздействием ИИ с необходимой мощностью дозы, включая низкоинтенсивное ИИ.
Предложенная флуктуапионная модель ВФХ МОП структуры позволяет учесть наличие флуктуации поверхностного потенциала в расчетах спектра ПС и существенно повысить точность контроля электрофизических параметров МОП структуры.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Статистический метод DLTS. Регистрация семейства характеристик ИРЕ в широком температурном диапазоне и применение алгоритмов статистического поиска решения повышают достоверность, точность определения параметров ГУ и позволяют рассчитать погрешность их определения в рамках приближений традиционного метода DLTS.
LL-DLTS методика позволяет определять параметры ГУ с близкими значениями коэффициентов термической эмиссии, а также параметры не только одновалентных, но и метастабильных центров.
Экспериментальные результаты исследования глубоких уровней в монокристаллах арсенида галлия. Установленные закономерности, связанные с перезарядкой бивалентных центров. Модель ионизации метастабильных центров.
Методика определения параметров радиационных дефектов с ГУ в МОПТ из экспериментальной дозовой зависимости и температурно-временных зависимостей релаксации порогового напряжения.
Флуктуационная модель ВФХ МОП структуры, в соответствии с которой в расчетах энергетического спектра ПС и других электрофизических параметров структуры необходимо учитывать наличие флуктуации поверхностного потенциала полупроводника.
Личный вклад автора. Основные экспериментальные данные, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях: XI, XII и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005, 2006, 2010); V и VIII международных научно-технических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2006, 2009); IX, X и XI международных научно-технических конференциях «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2008, 2009, 2010); 59 и 60 международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Чебоксары, 2009; С.-Петербург, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научных работ, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 149 страниц текста, включая 46 рисунков. Список литературы состоит из 139 источников.
