Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время основной тенденцией развития шроэлектроники является повышение степени интеграции и быстродействия нтегральных схем и связанное с этим уменьшение геометрических размеров лементов. Эта тенденция приводит к возрастанию влияния различных еоднородностей в МДП-системах, в частности, сложного профиля аспределения примет и гетерогенности поверхностного заряда на границе аздела полупроводник - диэлектрик. Пленарные и пространственные еоднородности оказывают существенное влияние на электрофизические арактеристики МДП-структур и приборов на их основе: сдвигают напряжение лоских зон и пороговое напряжение, растягивают вольт-фарадные арактеристики и кривые нормированной проводимости, уменьшают крутизну олевых МДП-транзисторов, приводят к появлению так называемых злуктуационных поверхностных состояний. Всё это делает проблему лектрофизического диагностирования МДП-структур с неоднородно ^определенными параметрами весьма актуальной.
В литературе имеется достаточно много работ, посвященных ісследованию поверхностных состояний в МДП-структурах методом адмиттанса : учетом планарной неоднородности поверхностного потенциала, а также уннельной перезарядки приграничных ловушек в диэлектрике. Однако, во-іерзьіх, они рассматривают флуктуационные и туннельные эффекты раздельно, ю-вторых, как правило, в них предлагаются различные модификации лассической многочастотной методики Николлиана-Гоетцбергера, которая ребует для реализации сложного оборудования, что затрудняет её широкое іспользоаание в промышленности. В связи с этим актуальной задачей іредставляется разработка одночастотных методик контроля поверхностных шраметров МДП-структур с учетом флуктуационных и туннельных эффектов, а акже туннельно-флуктуационной модели адмиттанса МДП-структуры, 'читывающей совместное влияние флуктуации поверхностного потенциала и уннельной перезарядки приграничных ловушек в диэлектрике.
Важной задачей также является повышение точности контроля тектрофизических параметров неоднородных МДП-структур вольт-фарадными методами, для чего необходимо моделирование теоретических вольт-фарадных сарактеристик (ВФХ) таких структур. Использование приближения эффективной юстояннои концентрации и подгоночных параметров приводит к значительным
погрешностям в определении напряжений плоских зон и порогового эффективного поверхностного заряда и других характеристик МДП-структур Поэтому актуальна разработка численных и лолуаналитических методиі моделирования ВФХ МДП-структур с неоднородным распределением примеси і полупроводнике и поверхностного потенциала.
Приведенные соображения говорят об актуальности темы настоящее работы.
Цель работы:
Разработка комплекса методик для электрофизического диагностирована МДП-структур с неоднородно распределенными параметрами.
Для реализации этой цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка одночастотных методик контроля времени перезарядки поперечных сечений захвата и спектральной плотности поверхностны: состояний методом адмиттанса с учетом планарной неоднородності поверхностного потенциала.
-
Разработка одночастотной методики контроля поверхностны: параметров МДП-структур с приграничными ловушками в диэлектрике дл: однородного и экспоненциального профилей распределения этих ловушек.
-
Построение туннельно-флуктуационной модели адмиттанса МДП структуры, в которой учитывается совместное влияние неоднородност поверхностного потенциала и туннельной перезарядки ловушек в диэлектрике.
-
Создание методики исследования поверхностных параметров МДГ структур с учетом флуктуационных и туннельных эффектов.
-
Моделирование теоретических ВФХ МДП-структур с неоднородн распределёнными параметрами для повышения точности контроля и электрофизических параметров.
-
Создание комплексной методики исследования поверхностных электрофизических параметров неоднородных МДП-структур методам адмиттанса и вольт-фарадных характеристик.
При решении поставленных задач использовались метод1 математического моделирования, численные методы интегрирования и решени дифференциальных уравнений, для экспериментальной апробации новь методик применялись емкостные и адмиттансные методы исследования МДГ структур:
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
-
Разработана методика определения средних значений поверхностных и луктуационного параметров планарно- неоднородных МДП-структур путём іализа одной кривой нормированной проводимости, измеренной при иксированной частоте.
-
Разработана одночастотная методика контроля энергетического спектра )емени перезарядки, поперечных сечений захвата и спектральной плотности эверхностных состояний методом адмиттанса с учетом планарной эоднородности поверхностного потенциала, в которой обрабатываются две )ивые нормированной проводимости, измеренные при различных температурах з диапазона 150-500 К.
-
Предложена одночастотная методика контроля поверхностных ар'аметров МДП-структур с приграничными ловушками в диэлектрике методом элной проводимости для двух профилей распределения ловушек: однородного экспоненциально убывающего.
4. Создана туннельно-флуктуационная модель адмиттанса МДП-структуры,
которой учитывается совместное влияние флуктуации поверхностного
этенциала и туннельной перезарядки приграничных состояний в диэлектрике на ктивную составляющую полной проводимости.
-
Разработана методика исследования поверхностных параметров МДП-груктур с учетом флуктуационных и туннельных эффектов. В этой методике остоянная времени перезарядки и сечение захвата поверхностных состояний пределяются нестационарными ёмкостными методами, а туннельно-шуктуационные параметры и плотность поверхностных состояний - методом дмиттанса. Показано, что сочетание адмиттансных и нестационарных мкостных методов позволяет разделить туннельный и флуктуационный іеханизмьі.
-
Проведено моделирование теоретических ВФХ МДП-структур с еоднородно распределённым поверхностным потенциалом на основе онденсаторной модели Николлиана-Гоетцбергера и теории Гаррета-Браттейна. Ісследовано влияние флуктуации поверхностного потенциала на лектрофизические параметры и энергетический спектр поверхностных остояний.
-
Предложены методики моделирования теоретических ВФХ МДП структур со сложным профилем легирования путём численного решени: уравнения Пуассона методами Рунге-Кутта и пристрелки начальных условий (дл произвольного профиля легирования) и с использованием полуаналитическол подхода к расчету параметров области пространственного заряд, полупроводника (для гауссовского профиля). Исследовано влияние параметре ионной имплантации и отжига на форму C-V кривых.
-
Создана комплексная методика контроля поверхностных электрофизических параметров неоднородных МДП-структур методам адмиттанса и вольт-фарадных характеристик.
Практическая ценность результатов работы. Представленные в насгояще работе одночастотные методики контроля поверхностных параметров МДГ структур с учетом флуктуационных и туннельных эффектов могут найти широке применение в условиях промышленного производства МДП-приборов интегральных схем, так как предполагают использование серийно выпускаемых стране цифровых измерителей адмиттанса типа Е7-12, работающих н фиксированной частоте. Существенно повышается точность контрог электрофизических характеристик структур с неоднородно распределённые/ параметрами благодаря учету «растягивания» теоретических ВФХ, вьізванної неоднородным распределением поверхностного потенциала и легирующе примеси в полупроводнике. Все разработанные и представленные методи» включены в состав измерительно- вычислительного комплекса дг электрофизического диагностирования МДП-структур.
Положения, выносимые на защиту.
I. Одночастотная методика контроля средних значений стандартно отклонения поверхностного потенциала, поперечного сечения захвата энергетической плотности поверхностных состояний методом адмиттанса.
2.'Метод двухтемпературной полной проводимости для контро.1 энергетического спектра флуктуационного и поверхностных параметр" планарно-неоднородных МДП-структур путём обработки двух G-V кривь измеренных при различных температурах из диапазона 150-500 К.
3. Одночастотная методика контроля поверхностных параметров МД структур с туннельной перезарядкой ловушек в диэлектрике, разработанная д
двух профилей распределения ловушек: однородного и экспоненциально убывающего.
-
Туннельно-флуктуационная модель адмиттанса МДП-структуры, учитывающая совместное влияние флуктуации поверхностного потенциала и туннельной перезарядки приграничных состояний в диэлектрике на кривые нормированной проводимости. Рассмотрены те же два профиля распределения ловушек в диэлектрике.
-
Методика контроля поверхностных и туннельно-флуктуационных параметров МДП-структур, сочетающая метод адмиттанса и нестационарные емкостные методы. Принципиальная возможность разделения туннельного и флуктуационного механизмов з рамках этой методики.
в. Методика моделирования теоретических' ВФХ планарно-неоднородных МДП-структур на основе конденсаторной модели Николлиана-Гоетцбергера и теории приповерхностной ОПЗ Гаррета-Браттейна.
-
Методики моделирования теоретических ВФХ МДП-структур со сложным профилем легирования с использованием численного решения уравнения Пуассона и полуаналитического подхода. Показано, что использование новых методик даёт возможность существенно повысить точность контроля электрофизических параметров таких структур.
-
Комплексная методика электрофизического диагностирования МДП-структур с неоднородно распределёнными параметрами методами адмиттанса и вольт-фарадных характеристик.
Апробация работы. Основные результаты, представленные а диссертационной работе, докладывались на Третьей и Пятой Международных конференциях по моделированию приборов и технологий .(Обнинск, 1994, 1996), 1997 MRS Spring Meeting (San- Francisco, 1997), III Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997), Международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1997), а также на научных конференциях преподавателей и сотрудников ВГУ (1994-1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 9 статей в местной, центральной и зарубежной научной печати и 6 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения с общими выводами и списка литературы из 94 наименований, содержит 33 рисунка. Общий объём диссертации составляет 148 страниц.
