 |
Определение параметров МДП-структур на основе анализа C-V характеристик
|
|
|
|
Анализ вольт-фарадных характеристик позволяет получить обширную информацию об основных параметрах МДП-структур: типе проводимости полупроводниковой подложки (n- или p-тип); концентрации легирующей примеси в подложке и законе ее распределения в приповерхностной области полупроводника; величине и знаке встроенного в диэлектрик МДП-структуры заряда; толщине подзатворного окисла; плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик. Рассмотрим более подробно эти вопросы.
Определение типа проводимости полупроводниковой подложки
Для определения типа проводимости подложки воспользуемся высокочастотной вольт-фарадной характеристикой.
Как следует из эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 2.19, и вида высокочастотной C-V кривой при обогащении основными носителями емкость МДП-структуры максимальна и определяется емкостью диэлектрика. В инверсии же емкость МДП-структуры максимальна. Таким образом, если максимум емкости C-V кривой лежит в более положительных напряжениях, чем минимум, то подложка изготовлена из полупроводника n-типа, если же максимум C-V кривой находится в более отрицательных напряжениях, то подложка изготовлена из полупроводника p-типа. На рисунке 2.20 приведены для примера высокочастотные ВФХ на n- и p-типах подложки.
Определение толщины подзатворного диэлектрика
Поскольку, как было показано ранее, в обогащении емкость МДП-структуры определяется только геометрической емкостью диэлектрика Cox, то:
(2.73)
где εox - относительная диэлектрическая проницаемость окисла.
Рис. 2.20. Высокочастотные ВАХ МДП-структур, изготовленных на полупроводниковых подложках n- и p-типа
|
|
|
Отсюда следует, что:
(2.74)
Напомним, что здесь Cox - удельная емкость подзатворного диэлектрика, т.е. емкость на единицу площади. Для подстановки в (2.73) экспериментальных значений необходимо сначала пронормировать емкость, т.е. разделить экспериментальное значение емкости на площадь S МДП-структуры. Как можно видеть из рисунка 3.14, при напряжениях на затворе VG - VFB ≈ (2÷3) В практически для всех МДП-структур полная емкость C только на 2-3% отличается от емкости диэлектрика. Исключение составляют структуры со сверхтонким окислом dox < 100 A, у которых в этой области VG становится существенным квантование в ОПЗ, и это отличие может достигать 10%.
Определение величины и профиля концентрации легирующей примеси
Для определения величины легирующей концентрации воспользуемся следующим свойством высокочастотных C-V характеристик МДП-структур: их емкость в области инверсии достигает минимальной величины Cmin и определяется только емкостью области ионизованных доноров CB и емкостью диэлектрика Cox. При этом
(2.75)
Используя для емкости окисла Cox выражение (2.73) и для емкости области ионизованных акцепторов (3.57), получаем:
(2.76)
Выражение (2.76), совместно с (1.67) для емкости ОПЗ ионизованных акцепторов, приводит к выражению для концентрации:
(2.77)
На рисунке 3.18 приведена номограмма зависимости нормированной величины емкости Cmin/Cox от толщины dox для систем Si-SiO2 с концентрацией легирующей примеси NA в качестве параметра. Из рисунка 3.18 видно, что чем меньше толщина диэлектрика и ниже концентрация легирующей примеси, тем больше перепад емкости от минимального до максимального значений наблюдается на ВФХ. Для определения профиля концентрации NA от расстояния вглубь полупроводника z воспользуемся высокочастотной C-V кривой, снятой в области неравновесного обеднения. Неравновесное обеднение возможно реализовать в том случае, когда период напряжения развертки меньше постоянной τ генерационного времени неосновных носителей в ОПЗ. В этом случае величина поверхностного потенциала может быть больше ψs > 2φ0, а ширина ОПЗ соответственно больше, чем ширина ОПЗ в равновесном случае. Возьмем также МДП-структуру с достаточно тонким окислом, таким, чтобы падением напряжения на окисле Vox можно было бы пренебречь по сравнению с величиной поверхностного потенциала, т.е. Vox << ψs; VG ≈ ψs. В этом случае, согласно (2.75) и (2.77), тангенс угла наклона зависимости
|
|
|
(2.78)
определит величину концентрации NA.
Рис. 2.21. Зависимость нормированной величины емкости Cmin/Cox в минимуме высокочастотной ВАХ от толщины подзатворного диэлектрика dox при различных величинах концентрации легирующей примеси для кремниевых МДП-структур
Значение координаты z, которой соответствует рассчитанная величина NA, определяется при подстановке значения ψs = VG в выражение для ширины ОПЗ:
(2.79)
В предельном случае, когда толщина окисла dox → 0, эту величину используют, измеряя неравновесную емкость как емкость барьеров Шоттки при обратном смещении.
Определение величины и знака встроенного заряда
Для определения величины и знака встроенного в диэлектрик МДП-структуры заряда обычно пользуются высокочастотным методом ВФХ. Для этого, зная толщину подзатворного диэлектрика dox, концентрацию легирующей примеси NA и работу выхода материала затвора, рассчитывают согласно (2.68) и (2.58) теоретическое значение емкости плоских зон CFB МДП-структуры и напряжения плоских зон VFB = Δφms. Поскольку экспериментальная C-V кривая высокочастотная, т.е. Css → 0, то, проводя сечение C = const = CFB (теор.), мы получаем при пересечении этой кривой с экспериментальной ВФХ напряжение, соответствующее ψs = 0, т.е. экспериментальное напряжение плоских зон VFB (эксп.). При этом, согласно (2.50),
(2.80)
Если Qox, Qss > 0, то VFB (эксп.) > VFB (теор.), и наоборот, если Qox, Qss < 0, то VFB (эксп.) < VFB (теор.).
Таким образом, знак и величина суммарного заряда в плоских зонах определяются соотношением (2.80) однозначно. Для вычленения заряда в поверхностных состояниях воспользуемся тем, что он обусловлен основными носителями (p-тип, Qss(ψs = 0) > 0 и n-тип, Qss(ψs = 0) < 0), захваченными на поверхностные состояния. Зная величину Nss, можно рассчитать величину заряда в поверхностных состояниях Qss и таким образом из (2.50) определить величину и знак встроенного в диэлектрик заряда Qox.
|
|
|
|
|
|
