RU2133999C1 - Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах - Google Patents
Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2133999C1 RU2133999C1 RU97113820A RU97113820A RU2133999C1 RU 2133999 C1 RU2133999 C1 RU 2133999C1 RU 97113820 A RU97113820 A RU 97113820A RU 97113820 A RU97113820 A RU 97113820A RU 2133999 C1 RU2133999 C1 RU 2133999C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- pulse
- voltage
- mis
- bias
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерению и контролю электрофизических параметров полупроводников и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур. Способ заключается в том, что на МДП-структуру подают напряжение смещения Uсм и обедняющие импульсы напряжения U1 и U2 ≥ 2U1, совмещают по времени импульсы U1 и U2 и из разности их амплитуд получают третий импульс U3, измеряют на них интегральные емкости C1, C2 и C3 соответственно, а напряжение плоских зон МДП-структур определяют по Uсм при выполнении условия: 1/С1 + 1/C2 = 1/С3. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - получение возможности просто при непосредственной регистрации Uсм = UFB, без сложных расчетов определять UFB с высокой точностью (до 1,0%) в широком диапазоне концентраций легирующей примеси в полупроводнике (N ~ 1011 - 1018 см-3), толщин диэлектрика МДП-структуры (d ~ 0,01 - 1 мкм), плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник (N ~ 1011 эВ-1 см-2). Способ может быть выполнен на стандартной радиоизмерительной аппаратуре. Измерение емкости области пространственного заряда полупроводника в режиме плоских зон дает возможность по известному соотношению определить уровень легирования полупроводника. 2 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводников и может быть использовано для оценки качества технологического процесса при производстве твердотельных микросхем и приборов на основе МДП-структур.
Напряжение плоских зон UFB является одним из основных и широко используемых параметров МДП-структур, величина которого определяется суммарной плотностью зарядов (Qф) в диэлектрике и на границе раздела диэлектрик-полупроводник. В свою очередь величина Qф полностью определяется физическими свойствами диэлектрика и полупроводника и особенностями технологического процесса изготовления приборов.
В настоящее время для исследований свойств МДП-структур и, в частности, для определения UFB, широко используется метод вольтфарадных характеристик (ВФХ) [1]. Однако в этом случае для определения UFB необходимо сопоставление теоретических (расчетных) и экспериментальных ВФХ, что, во-первых, не обеспечивает экспрессности измерений, и, во вторых, не всегда возможно, так как для экспериментальных МДП-структур в ряде случаев не выполняются условия, необходимые для расчета теоретических ВФХ (например, наличие утечек в диэлектрике и большая плотность поверхностных состояний и ловушек на границе диэлектрик-полупроводник не позволяет с достаточной точностью вычислять концентрацию легирующей примести в полупроводнике и завышает величину емкости структуры в режиме плоских зон).
Известен способ определения UFB при освещении МДП-структуры импульсами света из области собственного поглощения полупроводника [2]. Сущность способа заключается в подаче и регистрации на МДП-структуре такого напряжения смещения Uсм, при котором сигнал фото-эдс при освещении МДП-структуры принимает минимальное значение.
Недостатками данного способа являются:
необходимость специальной оптической системы и источника света определенной длины волны излучения;
невозможность определения UFB для непрозрачных для света МДП-структур (образцы с непрозрачными электродами в закрытых корпусах);
искажение минимального сигнала фото-эдс за счет перезарядки поверхностных состояний (ПС) светом - это затрудняет определение UFB, особенно при концентрации ПС больших
N ~ 1011 эВ-1 см-2
За прототип выбран способ определения UFB, описанный в [3].
необходимость специальной оптической системы и источника света определенной длины волны излучения;
невозможность определения UFB для непрозрачных для света МДП-структур (образцы с непрозрачными электродами в закрытых корпусах);
искажение минимального сигнала фото-эдс за счет перезарядки поверхностных состояний (ПС) светом - это затрудняет определение UFB, особенно при концентрации ПС больших
N ~ 1011 эВ-1 см-2
За прототип выбран способ определения UFB, описанный в [3].
Для определения напряжения плоских зон используется простая мостовая схема измерения емкости, которая балансируется одновременно по двум сигналам - малому высокочастотному тестовому сигналу и большому сигналу обедняющего импульса U1 при подаче на структуру постоянного напряжения смещения Uсм, величина которого может изменяться. При этом определяется соответственно дифференциальная (Cn) и интегральная (C1) емкости МДП-структуры.
В режиме плоских зон, как показывают расчеты, должно выполняться соотношение:
C1 = 2Cn. Напряжение смещения, при котором выполняется это соотношение, и будет являться напряжением UFB.
C1 = 2Cn. Напряжение смещения, при котором выполняется это соотношение, и будет являться напряжением UFB.
Недостатком данного способа является необходимость измерения в нем дифференциальной емкости, которую измеряют на малом тестовом сигнале амплитудой порядка KT/q (30-50 мВ),
где K - постоянная Больцмана, T - температура МДП-стурктуры, q - заряд электрона). Это накладывает высокие требования к чувствительности применяемой измерительной техники. Кроме того, можно показать, что чувствительность дифференциальной и интегральной емкости по отношению к отклонению МДП-структуры от режима UFB различная. Так, например, при обедняющих импульсах напряжения, создающих изгиб зон
ψS ≃ 80 KT/q(~2,0 B)
и при отклонении начального изгиба зон от состояния плоских зон на 2 KT/q (~50 мВ) C1 и Cn изменяются на 14,5% и 1,3% соответственно. При одном и том же Uсм ≠ UFB (вблизи ψS = 0) дифференциальная емкость изменяется в десять раз меньше, чем соответствующая интегральная. Это, в конечном счете, приводит к значительному уменьшению точности определения UFB (~10%), особенно для структур с высокой плотностью поверхностных состояний, которые делают вклад в измеряемую дифференциальную емкость.
где K - постоянная Больцмана, T - температура МДП-стурктуры, q - заряд электрона). Это накладывает высокие требования к чувствительности применяемой измерительной техники. Кроме того, можно показать, что чувствительность дифференциальной и интегральной емкости по отношению к отклонению МДП-структуры от режима UFB различная. Так, например, при обедняющих импульсах напряжения, создающих изгиб зон
ψS ≃ 80 KT/q(~2,0 B)
и при отклонении начального изгиба зон от состояния плоских зон на 2 KT/q (~50 мВ) C1 и Cn изменяются на 14,5% и 1,3% соответственно. При одном и том же Uсм ≠ UFB (вблизи ψS = 0) дифференциальная емкость изменяется в десять раз меньше, чем соответствующая интегральная. Это, в конечном счете, приводит к значительному уменьшению точности определения UFB (~10%), особенно для структур с высокой плотностью поверхностных состояний, которые делают вклад в измеряемую дифференциальную емкость.
В таблице 1 и 2 приведены величины относительного изменения (в процентах) интегральной и дифференциальной емкости. Расчеты сделаны для фиксированных начальных отклонений плоских зон: Uсм = UFB на величину
для обедняющих импульсов напряжения, создающих изгиб зон в полупроводнике ψS = (40, 80, 120, 160, 200) KT/q.
для обедняющих импульсов напряжения, создающих изгиб зон в полупроводнике ψS = (40, 80, 120, 160, 200) KT/q.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, увеличение точности определения UFB в широком диапазоне значений концентрации легирующей примеси в полупроводнике (N ~ 1011 - 1018 см-3) и при высокой плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник.
Nss ≥ 1011 эВ-1 см-2
Этот результат достигается тем, что в известном способе на МДП-структуру подают дополнительно второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой U2 ≥ 2U1, совмещают во времени первый и второй импульсы, а из разности их амплитуд получают третий импульс U3, измеряют интегральные емкости C2 и C3 соответственно, и напряжение UFB МДП-структуры определяют по напряжению смещения Uсм при выполнении условия:
1/C1 + 1/C2 = 1/C3
Покажем, что условие (1) выполняется только в режиме плоских зон, т.е. при Uсм = UFB.
Этот результат достигается тем, что в известном способе на МДП-структуру подают дополнительно второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой U2 ≥ 2U1, совмещают во времени первый и второй импульсы, а из разности их амплитуд получают третий импульс U3, измеряют интегральные емкости C2 и C3 соответственно, и напряжение UFB МДП-структуры определяют по напряжению смещения Uсм при выполнении условия:
1/C1 + 1/C2 = 1/C3
Покажем, что условие (1) выполняется только в режиме плоских зон, т.е. при Uсм = UFB.
Интегральная емкость C, соответствующая приложению к структуре обедняющего импульса напряжения достаточно большой амплитуды (U >> KT/q), может быть определена как отношение приращения заряда Q ( ψS ) ОПЗ полупроводника к соответствующему приращению поверхностного изгиба зон ψS , т.е.
Используя известные соотношения для дифференциальной емкости Cn и заряда ОПЗ Q, имеем:
Cn = (qNεn/2ψS)1/2 (3)
Cn = εn/W Q = qNW (4)
И учитывая, что в точке плоских зон C = 2Cn получаем:
Тогда выражение (1) можно переписать в виде:
т.к. Q2 = Q1 =
Таким образом, выражение (1) доказано.
Для оценки чувствительности способа по сравнению с прототипом воспользуемся для интегральной емкости C' и дифференциальной емкости C'n при начальных изгибах зон , от которых подаются обедняющие импульсы напряжения не равные нулю, т.е. и Uсм ≠ UFB, где C, Cn - значения емкостей при Uсм = UFB.
Результаты расчетов приведены в таблицах 1 и 2. Из них видно, что при Uсм ≠ UFB интегральная емкость изменяется примерно в десять раз больше, чем дифференциальная емкость, и поэтому такое изменение можно регистрировать с большей точностью. На фиг. 1 приведены эпюры подаваемых на МДП-структуру обедняющих импульсов напряжения U1, U2 и U3. Из фиг. 1 видно, что импульс U3 получают от верхнего уровня значения величины амплитуды первого импульса, до верхнего уровня значения величины амплитуды второго импульса, т.е. по своей амплитуде импульс U3 равен разности амплитуд U2 - U1. Это сделано для того, чтобы выполнить условие жесткой связи между C1, C2 и C3, для Uсм = UFB. Для того, чтобы обеспечить условие интегральности измеряемой емкости C3, U2 выбирают исходя из выполнения условия U2 ≥ 2U1.
Так как соотношение (1) относится к ОПЗ полупроводника, то с учетом емкости диэлектрика C0 МДП-структуры можно записать следующие выражения для интегральной емкости Cк МДП-структуры:
На фиг. 2 приведена схема простого устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ определения UFB.
На фиг. 2 приведена схема простого устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ определения UFB.
Здесь:
1 - емкостная мостовая схема, состоящая из емкости МДП-структуры (CМДП), нагрузочных емкостей Cн1 = Cн2, магазинов емкостей M1, M2 - состоящего из M'2 и M''2. M1 и M2 состоят из набора эталонных емкостей Cэт.
1 - емкостная мостовая схема, состоящая из емкости МДП-структуры (CМДП), нагрузочных емкостей Cн1 = Cн2, магазинов емкостей M1, M2 - состоящего из M'2 и M''2. M1 и M2 состоят из набора эталонных емкостей Cэт.
2 - генератор прямоугольных импульсов типа Г5-56.
3 - источник постоянного напряжения смещения (например Б5-43)
4 - регистрирующее устройство - осциллограф типа C1-70.
4 - регистрирующее устройство - осциллограф типа C1-70.
5 - сдвоенный переключатель П5 для переключения магазинов емкостей M1, M'2 и M''2.
Из сопоставления выражений (9) и (10) видно, что реализацию соотношения (1) между емкостями C1, C2 и C3 легко осуществить, используя емкостную мостовую схему (фиг. 2), в одно из плеч которой включена МДП-структура с емкостью CМДП и нагрузочной емкостью Cн, а во второе плечо - два последовательно включенных магазина емкостей M1 и M2, и соответственно с нагрузочной емкостью Cн1 = Cн2. Магазин M1 служит для установки баланса емкости C0, а M2 состоит из двух независимых магазинов емкостей M'2 и M''2 для C1 и C2 соответственно. В режиме плоских зон мостовая схема будет уравновешена на импульсе U1 для емкости C1, на импульсе U2 для емкости C2 и на импульсе U3 для емкости C3, которую получают путем последовательного соединения магазинов емкостей M'2 и M''2. Переключатель П5 находится в положении 4 (см. фиг. 2).
Последовательно действий при определении UFB следующая:
Включают МДП-структуру в одно из плеч моста, а во второе плечо моста включают последовательно-включенные магазины M1 и M2. На магазине M1 устанавливают емкость Cэт, равную C0 (П5 в положении 1), а на магазине M2 устанавливают емкость Cэт = C1 (П5 в положении 3), при последовательном соединении магазинов M'2 и M''2, (П5 находится в положении 4), на магазине M2 устанавливают емкость, равную C3.
Включают МДП-структуру в одно из плеч моста, а во второе плечо моста включают последовательно-включенные магазины M1 и M2. На магазине M1 устанавливают емкость Cэт, равную C0 (П5 в положении 1), а на магазине M2 устанавливают емкость Cэт = C1 (П5 в положении 3), при последовательном соединении магазинов M'2 и M''2, (П5 находится в положении 4), на магазине M2 устанавливают емкость, равную C3.
Подают напряжение смещения Uсм на МДП-структуру.
Падают на структуру обедняющие импульсы напряжения:
U1 > 100 KT/q ≃ 2,5 B, U2 ≃ 5B.
U1 > 100 KT/q ≃ 2,5 B, U2 ≃ 5B.
Отметим, что длительность Δtимп обедняющих импульсов U1 и U2, подаваемых на МДП-структуру, так же как и в прототипе, выбирают исходя из условия сохранения состояние обеднения в структуре после подачи обедняющего импульса. Постоянная времени релаксации tрел состояния обеднения для большинства исследуемых структур определяется генерационно-рекомбинационными параметрами полупроводника, и обычно находится в диапазоне 0,1 - 10 сек. Можно использовать соотношения для Δtимп ≤ tрел/20. Предлагается использовать Δtимп = = 1 - 10 мкс, при частоте следования:
f = 10 - 50 кГц. Поэтому tрел можно пренебречь.
f = 10 - 50 кГц. Поэтому tрел можно пренебречь.
Совмещаем во времени первый и второй импульсы напряжения и из разности их амплитуд получаем третий импульс U3.
Отметим, что интервал времени t между импульсами U1 и U2 задаем t < tф, где tф - длительность фронта импульса. Т.к. для стандартных генераторов типа Г5-56 tф < 10 нс, то этой величиной по сравнению с Δtимп можно пренебречь.
Изменяем значения емкостей в магазине M'2 и M''2 до получения условия баланса моста на импульсах U1 и U2 соответственно.
Находим такое Uсм, при котором при последовательном соединении M'2 и M''2 на импульсе U3 баланс моста не нарушается. Это будет выполняться при Uсм = UFB, так как в этом случае выполняется условие (1). Таким образом, изменяя напряжение Uсм регистрируют условие, при котором переключение магазинов емкостей из положений, соответствующих емкостям C1 и C2, на положение, соответствующее емкости C3, не нарушает баланса моста. При этом
UFB = Uсм.
UFB = Uсм.
Существенным достоинством предложенного способа является простота определения UFB, при регистрации Uсм = UFB непосредственно. Способ позволяет без всяких расчетов определять UFB с высокой точностью ( ~1%) в широком интервале концентрации легирующей примести в полупроводнике (N ~ 1011 - 1018 см-3), толщин диэлектрика МДП-структуры (d ~ 0,01 - 1 мкм), плотности поверхностных состояний границы раздела диэлектрик-полупроводник (N ~ 1011 эВ-1 см-2).
Способ не требует для своей реализации знания параметров полупроводника и диэлектрика, не требует специальных образцов для измерения. Способ может быть реализован на стандартной радио-измерительной аппаратуре. По сравнению с прототипом в нем отсутствует малосигнальный тестовый импульс, и это позволяет значительно повысить точность определения UFB (в 2 - 3 раза) и уменьшить требования к чувствительности измерительной регистрирующей аппаратуре.
Литература:
[1] Zaininger K.H., Heiman F.P. - The Technique as an Analytical Tool - Solid State Technology Vol. 13 (1973) N 6 p. 47-55.
[1] Zaininger K.H., Heiman F.P. - The Technique as an Analytical Tool - Solid State Technology Vol. 13 (1973) N 6 p. 47-55.
[2] Yun B. H. - Direct measurement of flat-bend voltage in MOS by infrared exception.
Applied Physics letters Vol. 21 (1972) N 5 p. 194-195.
[3] Бородзюля В. Ф., Голубев В.В. - Методы электрического тестирования заряда в диэлектрике и на поверхностных состояниях в МДП-структурах. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием. "Диэлектрики - 93" Часть 2, стр. 100.
Claims (1)
- Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в МДП-структурах, включающий подачу и регулирование постоянного напряжения смещения, подачу на структуру обедняющего импульса напряжения, называемого первым, и измерение на нем интегральной емкости области пространственного заряда полупроводника, отличающийся тем, что на МДП-структуру дополнительно подают второй обедняющий импульс напряжения с амплитудой, равной или большей удвоенной амплитуды первого обедняющего импульса, совмещают во времени первый и второй обедняющие импульсы, дополнительно измеряют интегральные емкости на втором обедняющем импульсе и на разности первого и второго обедняющих импульсов, называемой третьим импульсом, а напряжение плоских зон МДП-структуры определяют по напряжению смещения при выполнении условия
1/С1 + 1/С2 = 1/С3,
где С1 - интегральная емкость на первом импульсе;
С2 - интегральная емкость на втором импульсе;
С3 - интегральная емкость на третьем импульсе.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97113820A RU2133999C1 (ru) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97113820A RU2133999C1 (ru) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97113820A RU97113820A (ru) | 1999-06-20 |
RU2133999C1 true RU2133999C1 (ru) | 1999-07-27 |
Family
ID=20196254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97113820A RU2133999C1 (ru) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2133999C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480861C1 (ru) * | 2011-08-31 | 2013-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Способ определения коэффициента относительной эффективности и эквивалентной дозы источника рентгеновского излучения |
-
1997
- 1997-08-07 RU RU97113820A patent/RU2133999C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Бородзюля В.Ф, Голубев В.В. Методы электрического тестирования заряда в диэлектрике и на поверхностных состояниях в МДП-структурах./Тезисы докладов Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным участием. "Диэлектрики - 93". - Санкт-Петербург, 22-24 июня 1993, часть 2, с.100. Yun B.H. Direct measurement of flat - bend voltage in MOS by infrared exception. Applied Physics letter v.21(1972), N5, p.194-195. Zaininger K.H., Heiman F.P. The Technique as an Analytical Tool. Solid state Technology v.13(1973), N6, p.47-55. Технология СБИС/Под ред. С. Зи, кн.2. - М.: Мир, 1986, с.102-103. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480861C1 (ru) * | 2011-08-31 | 2013-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Способ определения коэффициента относительной эффективности и эквивалентной дозы источника рентгеновского излучения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6037797A (en) | Measurement of the interface trap charge in an oxide semiconductor layer interface | |
JPH0652750B2 (ja) | 半導体ウエハの非接触試験方法 | |
US4325025A (en) | Automated channel doping measuring circuit | |
KR930011421B1 (ko) | 용량소자의 용량-전압특성에 영향을주는 양을 측정하는회로 및 방법 | |
Chiodini et al. | A 400 kHz, fast-sweep Langmuir probe for measuring plasma fluctuations | |
US7339392B2 (en) | Apparatus measuring substrate leakage current and surface voltage and related method | |
RU2133999C1 (ru) | Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в мдп-структурах | |
US3206674A (en) | Method of measuring the electrical properties of a semiconductor crystal, viz. the specific resistance and the life span of the charge carriers of a highohmic crystal | |
US6249117B1 (en) | Device for monitoring and calibrating oxide charge measurement equipment and method therefor | |
US6377067B1 (en) | Testing method for buried strap and deep trench leakage current | |
US3448378A (en) | Impedance measuring instrument having a voltage divider comprising a pair of amplifiers | |
RU2212078C2 (ru) | Способ определения напряжения плоских зон полупроводника в металл-диэлектрик-полупроводник-структурах | |
US5444389A (en) | Method and apparatus for measuring lifetime of minority carriers in semiconductor | |
Andreev et al. | Programmable set to monitor charge state change of MIS devices under high-fields | |
Martens et al. | Capacitance measurement with MSP430 microcontrollers | |
SU919486A1 (ru) | Устройство дл определени генерационного времени жизни неосновных носителей зар да в МДП-конденсаторах | |
JP2584093B2 (ja) | 絶縁膜の信頼性評価方法 | |
Day et al. | Deep level transient spectroscopy for diodes with large leakage currents | |
RU2117956C1 (ru) | СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ИЗГИБА ЗОН ПОЛУПРОВОДНИКА ψs В МДП-СТРУКТУРЕ | |
Lin et al. | New methods for using the Q‐V technique to evaluate Si‐SiO2 interface states | |
SU813329A1 (ru) | Способ измерени параметровглубОКиХ цЕНТРОВ B пОлупРОВОдНиКАХ | |
RU2028697C1 (ru) | Способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур | |
RU2022288C1 (ru) | Устройство для испытания конденсаторов | |
Liu et al. | Behavior and frequency dependence of AC-DC high voltage transfer standard under humidity step changes | |
SU1168871A1 (ru) | Способ измерени поверхностного сопротивлени высокоомного покрыти на диэлектрической подложке |