Эффекты пространственной локализации электронных состояний и электрической неоднородности границы раздела при термоактивационном анализе Si-МОП-структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

- 5 ДПР 1903

РОССИЙСКАЯ ¡АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи УДК 621.313.592

СУМАРОКА Александр Михайлович

ЭФФЕКТЫ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ПРИ ТЕРМОАКТИВАЦИОННОМ АНАЛИЗЕ -МОП-СТРУКТУР

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук профессор А. Г. ЖДАН

Научный консультант-: кандидат физико-математических наук Е. И. ГОЛЪШАН

МОСКВА-1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН.

Научньй руководитель: доктор физико-математических наук

А. Г. ЖДАН

Научный консультант: кандидат физико-математических наук

Е. И. ГОЛЬДМАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. Г. БАРУ,

кандидат физико-математческих наук А. В. ЛАРЧИКОВ.

Ведущая организация: Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова

Защита состоится -Я- т 1993г в а час. на заседании Специализированного Совета К. 002.74.01 в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН С 141120.г. Фрязино.пл.Введенского,1 ). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан ",¿¿2. " €3 1993г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.ф. - м. н.

И. И. ЧУСОВ

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Термоактивационная спектроскопия СТАСЭ локализованных электронных состояний СЛЭСЗ в релаксационном режиме - эффективный инструмент физики границ раздела СГРЭ полупроводник - диэлектрик и технологического контроля широкой гаммы приборов МДП-электроники. Методы TAC успешно работают в отношении JI3C, скорость термического опустошения которых превьшает скорость генерации неосновных носителей заряда СННЗ). Однако, с одной стороны, получаемая при этом информация об области ГР носит интегральный характер, т.е. не описывает пространственное расположение ЛЭС." С другой стороны, при высоких темпах генерации НТО, в особенности при образовании канала инверсии, вкладом генерационных потоков в процесс перезарядки ЛЭС пренебрегать нельзя, и возникает принципиальные задачи идентификации процессов опустошения ЛЭС на "фоне" генерации ННЗ. Отсутствие данных о проявлениях в сигналах TAC пространственного распределения ЛЭС и электрической неоднородрости ГР, присущей большинству реальных объектов, не позволяет решить основную задачу TAC - установить природу ЛЗС и электрических неоднородностей ГР.

Таким образом, изучение эффектов пространственной локализации электронных состояний и электрической неоднородности ГР при релаксационном термоактивационном анализе характеристик ЛЭС и явлений генерации ННЗ - актуальная и практически значимая задача.

Целью настоящей работы является развитие аналитического и экспериментально - методического аппарата TAC и применение его для определения у ГР кремний - окисел пространственной и энергетической локализации электронных состояний и для установления механизмов гене-

рации ННЗ.

В этой связи поставлены и решены следующие задачи:

- выяснены условия эксперимента и развиты алгоритмы обработки данных по TAC, обеспечивающие возможность получения сведений о пространственных характеристиках ЛЭС;

- разработана и реализована автоматизированная на базе персонального компьютера "Электроника МС 0513" экспериментальная установка для термоактивационного анализа электронных свойств ГР полупроводник - диэлектрик в режимах стабилизации и измерения высокочастотной емкости МДП-структур;

- проведен анализ проявлений в температурной зависимости эффективного уровня энергии Ёт, разделяющего уже пустыэ и еще заполненные ЛЭС с гладким спектром, дискретных ЛЭС;

- развит алгоритм обработки экспериментальных кривых ЁмСТ), позволяющий выделять дискретные объемные уровни на фоне ^поверхностных состояний с гладким спектром;

- рассчитаны временные и температурные зависимости высокочастотной емкости и тока разряда МШ-структуры, связанны* с термической генерацией ННЗ через глубокий объемный уровень в процессе релаксации образца от состояния неравновесного обеднения к состоянию глубокой инверсии; при этом учтены набег потенциала на слое инверсии, и вклад опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон и ток разряда МДЛ-структуры;

- развита . методика экспериментов и алгоритм обработки опытных данных, позволяющие идентифицировать составляющие сигналов TAC, обусловленные генерацией ННЗ и опустошением глубоких объемных уровней, и определять характеристики центров генерации;

-в режиме термоактивированной релаксации экспериментально исследована генерация дырок в электрически однородных n-Si - МОП -

структурах; обнаружено хорошее согласие между теорией и экспериментом и установлено, что центром генерации является глубокий донор с энергией активации 0,79 ± 0,01 эВ, концентрация которого резко спадает вглубь полупроводника;

-обнаружены аномалии термической генерации ННЗ у ГР n-Si-Si02 с врожденной и индуцированной ионным зарядом в окисле электрической неоднородностью: узкие низкотемпературные пики - "предвестники" тока термогенерации дырок;

- показано что природа этих аномалий связана с термополевой активацией центров генерации в сильных локальных полях, обусловленных электрической неоднородностью границы раздела.

Научная новизна. Развиты алгоритмы обработки экспериментальных данных по TAC, позволяющие находить температурную зависимость координаты центроида вытекающего из МДП-структуры заряда ZcCT) и тем самым вьщелять из полного сигнала TAC составляющие от различных областей ГР полупроводник - диэлектрик. Вычислена температурная зависимость эффективного уровня энергии ЁтСТЗ, разделяющего уже пустые и еще заполнение ЛЭС с гладким и дискретным спектром; моделированием на ЭВМ продемонстрировано, что интерпретация стандартных данных по TAC в этом случае на основе известных теоретических представлений приводит к физически абсурдным результатам. Показано, что изменение набега потенциала на слое инверсии и вклад опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон и ток разряда МДП - структуры при термической генерации ННЗ через глубокий объемный уровень весьма существенно влияет на форму пика разрядного тока. Учет этих факторов позволил построить теорию, количественно согласующуюся с экспериментом, выполненным на n-Si-МОП-структурах. Продемонстрированы возможности выделения вклада в сигналы TAC от объемных уровней, прилегающих к зоне ННЗ, и анализа пространственного распределения таких

уровней вдали от ГР полупроводник - диэлектрик, что в принципе нельзя сделать традиционными методами. Обнаружены аномалии термогенерации ННЗ у ГР n-Si-Si02 с врожденной и индуцированной ионным зарядом в окисле электрической неоднородностью, связанные с термополевой активацией центров генерации в сильных локальных полях, обусловленных электрической неоднородностью ГР. Указаны качественные критерии проявления электрической неоднородности ГР.

Практическая ценность работы. Развитый аналитический и экспериментально - методический аппарат существенно расширяет возможности методов TAC за счет определения энергетических и пространственных характеристик центров генерации ННЗ и идентификации электрической неоднородности поверхностей раздела. Это открывает новые пути для эффективного контроля и многоплановой физической диагностики реальных ГР полупроводниковых структур, широко используемых в современной электронике и микроэлектронике.

Результаты диссертационной работы используются в ИРЭ РАН при проведении плановьи НИР и в связи с разработкой и созданием полупромыи-ленного образца термоактивационного спектрометра для неразрушающего контроля электрофизических параметров МДП- структур - основы полевых транзисторов,приборов с зарядовой связью, систем динамической и постоянной СМНОГО памяти.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Совместный анализ сигналов TAC - температурных зависимостей термостимулированного тока ICT) и высокочастотной емкости ChfCT) МДП - структур позволяет найти температурную зависимость координаты центроида вытекающего из МДП - структуры заряда ZcCT), характеризующую, в частности, пространственное расположение ЛВС.

2. При сосуществовании у ГР полупроводник - диэлектрик дискретных ЛЭС и пограничных состояний с гладким спектром на температурной за-

висимости эффективного уровня энергии ЕтСП, разделяющего уже пустые и еще заполненные ЛВС, возникают экстремумы, что приводит к нефизическим особенностям в функции плотности состояний Спетлям] и в энергетической зависимости частотного фактора Сскачки) в области энергий, соответствующих локализации экстремумов. Подгонка теоретической зависимости ЁтСТ), рассчитанной для случая суперпозиции ЛЭС с гладким и дискретным спектром, к экспериментальной кривой ЁтСТ) позволяет разделить вклад в зависимость ЕтСТ] от состояний каждого типа и определить функцию плотности состояний и параметры дискретного уровня.

3. Временные и температурные зависимости тока разряда и ВЧ - емкости МДП - структуры, рассчитанные для режима термической генерации НТО через глубокий объемный уровень с учетом набега потенциала на слое инверсии и вклада опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон в полуповоднике и в разрядный ток, позволяют определить по экспериментальным данным характеристики центров генерации ННЗ и их пространственное распределение вдали от ГР полупроводник - диэлектрик.

4. Врожденная и индуцированная ионным зарядом в окисле электрическая неоднородность ГР п-31 - окисел промотирует характерные аномалии термической генерации ННЗ: узкие и широкие пики разрядного тока, сильно смещающиеся с ростом поля к необычно низким температурам, что обусловлено термополевой активацией центров генерации ННЗ в сильных локальных полях, обусловленных неоднородностью поверхности раздела. Факт наблюдения в относительно слабых полях г103В/см такого рода аномалий - чувствительный индикатор электрической неоднородности ГР.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 Всесоюзном совещании - семинаре "Математическое мо-

делирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" СОдесса 1988г. Э, на Всесоюзной научно -технической конференции "Методы и средства диагностирования электронной техники" СМосква, 1989г.), на научных семинарах ИРЭ РАН и МГУ им. Ломоносова.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. Список трудов приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы из- 40 наименований и приложения. Она содержит 54 страницы текста и 23 рисунка. Ее общий объем 84 страницы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, задачи и основные положения выносимые на защиту; аргументирована практическая значимость выполненных исследований.

Первая глава содержит критический анализ физических основ методов, средств и проблем термоактивационной спектроскопии СTAC) границ раздела СГРЗ полупроводник-диэлектрик. Итогом этого анализа являются следующие выводы:

-методы TAC дают в основном лишь интегральную информацию об электронных свойствах области ГР. включающей межфазную поверхность и прилегающие к ней слои диэлектрика и полупроводника;

-при сосуществовании в области ГР ЛЭС с гладким и дискретным спектром стандартная обработка сигналов TAC приводит к нефизическим особенностям в функции плотности состояний и энергетической зависимости частотного фактора;

-отсутствует информация о проявлениях в сигналах TAC эффектов электрической неоднородности ГР, характерных для большинства реальных МДП - структур;

-режим TAC. основанный на стабилизации высокочастотной емкости МДП - стуктур, лимитирует возможности методики вследствии ограничения минимальной величины стабилизируемой емкости;

Указанные обстоятельства препятствуют решению одной из главных задач физики ГР - установление природы ЛЭС и ограничивают возможности физической диагностики МДП - приборов' и интегральных схем на их основе. ■'..'.

В данной связи сформулированы цели диссертационной работы - развитие аналитического и экспериментально - методического аппарата TAC с целью расширения его информационных возможностей в указанной сфере фундаментальных и прикладных задач. '

Вторая глава посвящена описанию развитых в работе экспериментально - методического аппарата TAC и технике экспериментов. В § 2.1 обсуждаются осбенности автоматизированной на базе персонального компьютера "Электроника МС 0513" экспериментальной установки для TAC ГР полупроводник-диэлектрик. Исследуемая структура размещается в вакуумной камере газопроточного криостата, позволяющего варьировать температуру в диапазоне 8 - 500К. Управление экспериментом, сбор данных, графическое представление информации осуществляются посредством универсального комплекта интерфейсов, связывающего все измерительные, управляющие, исполнительные и регистрирующие устройства через ЭВМ в единую систему. Закон изменения температуры объекта задается программно и реализуется цифровым злектронным ГИД - терморегулятором, обеспечивающим стабилизацию температуры с точностью - 4*10~3К и изменение ее по линейному закону со скоростями 0,05 + 1 К/с Т YA. Источник напряжения смещения V« - 24-х разрядный ЦАП, позволяющий задавать Vg с дискретностью 6*10~7В в диапазоне 0 + 10 В. Измеритель тока - С 10"1В + Ю-9 А D - злектрометр В7-30. Для измерений напряжений используются ЭЦВ Щ-31, Ш-300. Вывод информации в цифровой

и/или графической форме осуществляется на дисплей, ПУ или графопостроитель. Установка включает также подсистемы измерения и стабилизации емкости исследуемой структуры, связанные с ЭВМ, обеспечивающие синхронную регистрацию температурных зависимостей разрядного тока и ВЧ - емкости или проведение экспериментов в режиме Chr = const.

ВЧ - емкость измеряется с помощью цифрового измерителя LCR Е7-12, снабженного интерфейсной платой, согласующей КОП прибора с ПК "Электроника MC 0313" Реально достигнутая.точность определения Сы - 1%. максимальная чувствительность - 1фф. Цифровая система стабилизации ВЧ - емкости с серийным резонансным измерителем добротности BM-S60 построена на основе универсального комплекта интерфейсов к ЭВМ. Цифровой контур пропорционально - интегрально - дифференциального регулирования позволяет оптимизировать параметры процесса стабилизации за счет программной коррекции эффективного коэффициента усиления сигнала рассогласования в соответствии с реальной вольтфарадной характеристикой объекта так, чтобы обеспечить апериодический переходной процесс с минимальной длительностью. Точность стабилизации - 5фФ при времени реакции - 1 * 2 с.

В § 2.3 в рамках одномерной модели обосновывается возможность определения координаты центроида вытекающего заряда Zc при термоакти-вационном анализе области ГР полупроводник -. диэлектрик. По определению

Zc = _JLS&iL_

jdgal dz

где z - координата в направлении нормали к ГР, dp/dt - скорость изменение плотности заряда в плоскости z. Непосредственно из определения следует, что зная ток и изменение потенциала, обусловленные освобождением или локализацией заряда, можно определить мгновенное

значение Zc. Экспериментально зависимость ZcCTD можно найти из совместного анализа синхронно измеренных температурных зависимостей ВЧ

- емкости С или У*СТ), обеспечивающего Chf = const ) и термостимули-рованного тока ICT3. На примере генерации НТО в n-Si - МОП - структуре экспериментально найдена зависимость ZcCT), демонстрирующая закон "прижатия" дырок к ГР Si - Si02 по мере их генерации.

В третьей главе рассматривается проблема интерпретации данных по термоактивационной спектроскопии ГР полупроводник - диэлектрик с распределенными по энергии состояниями СПСЭ и дискретными объемными уровнями в полупроводнике. В этой ситуации зависимости ICT) и AVeCD при Chf = const имеют' вид:

&Vs= qACoJ {jmNsaCE)dE + ZDC1+ 1- expC-teff/TD)]>.CD

0 S

! =Is3+lD = qA № + ZDNDexPC-terf.rpD ] ^

1

Здесь NsaCEJ - спектральная плотность ПС, ND~ концентрация объемного уровня, Iss и Id - токи, связанные с опустошением ПС и объемного уровня соответственно. Сох - емкость диэлектрического промежутка, q-

- элементарный заряд, Em - эффективный уровень энергии, разделяющий еще заполненные и уже пустые ПС,

El» = Т1п Чрий^ С3)

Т - температура, выраженная в энергетических единицах, к - постоянная Больцмана, £ - скорость нагрева, rsgg предъэкспоненциальный фактор в формуле Аррениуса для времени жизни на ПС, teff=T2/|3ED, Ed -энергия активации объемного уровня, тп= т0ехрСЕи/П - время жизни носителей заряда на этом уровне. Zd - толщина слоя пространственного заряда полупроводника, в котором дискретный уровень находится вьше уровня Ферми, h и к - толщина и диэлектрическая проницаемость окис-

12 ' па, кя - диэлектрическая проницаемость полупроводника, А -площадь структуры. ' , . ■ .

Определение функции NsaCE) по зависимости . ШЗ-''требует знания ;'. связи между Em и Т. В отсутствии дискретных объемных уровней из -,(33 вытекает - ■ ." . ■ , . /

^^тйт1"^' ■ : ' V.

где Ti.ßi и Та,£г Сßi<ßz, 0<Ta-Ti«Ti), отвечает условию

AVgCßi.Ti) = ÄVgCßa.Ta) . С5)

В случае смешанного спектра на основании С1),СЗ), С5) получаем

1+ ^"«Ч*"

Здесь Em - эффективный уровень энергии для гладкого спектра, определяемый равенством СЗ). Легко убедиться, что зависимости EmCTD и, Еи£Т) могут существенно различаться в области температур, где происходит опустошение объемного уровня. Если график функции ЕтСП прак- • тически прямая линия, то в.функции EmCTD может проявляться максимум, минимум, или и то,' и другое. Соответственно в полном токе 1С TD на фоне тока 1»»СТ) будет проявляться пик тока IdCT), обусловленный ионизацией объемного уровня. Результаты численного моделирования показывают, что восстановление зависимостей NaaCE) и t^ED в пренебрежении фактом сосуществования ЛЭС с гладким и дискретным спектром приводит к нефизическим особенностям в функции плотности состяний Спетлям) и в энергетической зависимости частотного фактора Сскачки), т.е. искомые зависимости становятся неоднозначными. Развитый подход позволяет хорошо описать экспериментальные кривые ЁтСТ) с экстремумами, отвечающие суперпозиции ЛЗС с гладким и дискретным спектром с параметрами, характерными для термодоноров в Si [рис.1: точки - экс-

• Ет-эВ .

»

0,4 0,3 0,2

100 150 ТГК

рис.1.

перимент. сплошная линия - результат расчетов по (631. Таким образом, наличие на экспериментальной зависимости ЁтСТ) экстремумов -прямое свидетельство сосуществования ЛЭС с непрерывным и дискретным ■спектрами..

Четвертая глава посвящена термоактивационному анализу процессов генерации неосновных носителей заряда СННЗ) у границы раздела п-$1-БШг. В МДП - стру-ктурах скорость релаксации СТО от состояния глубокого неравновесного обеднения к. состоянии инверсии при температурах ^ЗООК определяется темпом термической генерации ННЗ через объемные уровни и/или поверхностные состояния

В § 4.1 рассматривается термическая генерация дырок через глубокий ОУ расположенный вблизи валентной зоны полупроводника. В известной теории генерации ННЗ в МДП - структурах в термостимулированном режиме не учитывался ряд важных факторов, которые должны существенно влиять на характер релаксационных сигналов, особенно при образование

канала инверсии: набег потенциала на слое инверсии, а также -вклад перезарядки объемного уровня в изменение профиля потенциала ОПЗ полупроводника и во внешний ток. Темп термической генерации НТО определяется .-выражением:

= & с Zs - Zi) [1-ехрС Eg-FP-F-U»3] _ m

где ря - "двумерная" концентрация дырок у поверхности, Nd -концентрация центров генерации Сдля определенности глубоких доноров), тс = тс» ехрСЕп/Т) - время жизни основных носителей заряда, Z2- координата, при которой поток электронов из зоны проводимости на глубокий донор СГД) превышает поток электронов из валентной зоны на ГД, Zi -координата точки пересечения квазиуровня Ферми с ГД Слевее этой точки ГД пуст). Ее - ширина запрещенной зоны,Fp - энергия Ферми для дырок, F - энергия Ферми в объеме полупроводника, Ua-поверхностный изгиб зон.

Для нахождения временных и/или температурных зависимостей Ci>f и I по уравнении CD с последовательным учетом указанных выю факторов следует решить систему уравнений:

qVe = и + Cps+NcZi+NdW) = + 4Ш!М ; С8)

ОХ 8 ОХ

ГР

и. - и»« + Т 1п[ NdUiVr + ndlncnd/pi) + 11 :

р + CND+Nd)lnCp/pi+l) = |^2[Cps+NdZi+N<jV)2- NlCV-Zi)2]. СЮ)

Здесь q - элементарный заряд, Vg=const - потенциал полевого электрода, Nd - концентрация легирующей примеси, W - ширина области пространственного заряда полупроводника СОПЗ), Wo - ширина ОПЗ в момент

времени t = 0, Us* = §|^-CNdZ? + NdWz) - изгиб зон в полупроводнике

ка

в пренебрежении набегом потенциала на слое инверсии, р - "трехмерная" концентрация дырок на границе раздела, у = const, pi=Nvexp[CED-£d)/n - концентрация дырок при Z = Zi, Nv - эффектив-

ная плотность состояний в валентной зоне.

Уравнение (8) этой системы дает связь между потенциалом полевого электрода, поверхностным потенциалом и падением напряжения на диэлектрике; уравнение С9)'- эмпирическая аппроксимация .выражаемого в квадратурах решения уравнения Пуассона. При у = 0,1 +0,4 его точное решение описывается СЗЗ вплоть до вырождения дырочного газа с погрешностью не превышающей 1,7%. Соотношение СЮ) - первый интеграл уравнения Пуассона. Выражения для 2\ и 2г следуют непосредственно из их определения. Результат решения системы уравнений С7) + СЮ) -температурные зависимости суммарного тока генерации дырок и перезарядки ГД 1зСТ) и ширины ОПЗ ¥СТ) - связаны с экспериментально измеряемыми величинами См-и-1-соотношениями:

"к. . »»

где Сох'.- емкость диэлектрического промежутка, А - площадь МДП-структуры. Второе. слагаемое в выражении С12) - ток. обусловленный изменением ширины ОПЗ полупроводника в процессе релаксации,'

Эксперименты выполнялись на п^Зг-МОП - структурах, сформированных на КЗФ-4.5 с толщиной окисла И = ЗОнм,- площадью полевого электрода. А = Э.бнЮ^м2. Начальная температура опыта То .= 80К;.. Стартовое состояние МДП - структуры - глубокое обогащение.. Изменением Че структура переводится в состояние неравновесного обеднения, релаксация которого стимулируется нагревом. На рис 2а,б (штрих) представлены результаты типичной серии экспериментов для различных значений Ус (кривые 1я - Т нормированы на амплитуду максимума). Ток 1зСТ) для каждого из Че описывает характерный пик, правый склон которого существенно круче левого. Температура Тт максимума тока и его амплитуда возрастают с увеличением У&. Для всех кривых 1з(ТЗ на начальных участках нарас-

1*,отн.еВ,

0.6

о.г

/ г 5 1 4 ■

! X \ /Л\ з^л /V I' 1 / / л | / / • •

'//■V / у и А *

/ \ // )

/ /Л

т* и 1 4 \ 1 \ л ■ ■

270

290 а.

т и

0.рр 50

40 30 го /о

270

/

/ А / / ¡1

г / / Г, У / н ^ /и У

3 —> -—

290

5

510 Т. К

рис.2.

тания тока СТ<ТпО хорошо выполняется закон Аррениуса с единой энер гией активации Е = 0,79 ¥ 0,01 эВ. Монотоно возрастающая зависимость СыСТЗ после резкого излома в окрестности Т<*Тт переходит в единую для всех кривых линию. Эти закономерности отвечают представлениям о генерации ННЗ и позволяют заключить, что центром генерации является глубокий объемный уровень, поскольку при поверхностной генерации

энергия активации должна возрастать с ростом концентрации дырок и иметь своим конечным значением при глубокой инверсии величину » Eg, заметно превыиающую экспериментальную. Энергию активации уровня Ed, отсчитываемую от дна зоны проводимости, следует отождестить с Е, ибо в противном случае С Ed = Ее - Е) на кривой la - Т должен был бы наблюдаться "предвестник" - пик тока, обусловленный опустошением этого "мелкого" уровня.

На начальной стадии процесса генерации Zi = 0 и из (1) следует, что прямые Аррениуса должны отсекать на оси Т"1= 0 величину lgCqAj3Z2ND/tc(j), позволяющую определить отношение №>/тс0. Концентрацию ГД Nd определяет участок кривой Chf - Т, следующий за изломом и отвечающий квазиравновесному состоянию МДП - структуры. Рассчитанные численно с использованием экспериментально определенных параметров CNd = б. 5*1015см"3и xcO=4*10"12c ) кривые IsCT) и ChfCT) в целом неплохо описывают всю совокупность экспериментальных данных. Согласие несколько нарушается вблизи максимумов тока, где экспериментальные кривые идут круче теоретических. Это расхождение естественно объясняется, если предположить, что в эксперименте граница зоны генерации 2г слабо сдвигается при уменьшении V вплоть до Т = Тт. Такая ситуация будет иметь место, если распределение ГД по координате неоднородно: Nd спадает вглубь полупроводника. Представим для простоты распределение Nd(Z) в форме ступеньки, круто обрывающейся при Z=Z« CZe должно быть меньше величины 2z, отвечающей Wo). Зависимости 1зСТ) и См-СТ), рассчитанные для этой модели, представлены на рис.2 сплошными линиями. Очевидно полное согласие теории и эксперимента для всех кривых с Za w=w>Ze при тс0= const = 3.1*10-12с и практически неизменных значениях Z« = 1.02 + 1.27мкм, что непосредственно свидетельствует о резком спаде концентрации ГД вглубь полупроводника. Расхождение, как и следовало ожидать, наблюдается только тогда.

когда начальное значение 2г = 1мкм « 2*Срт. 2, кривая 1) попадает в область края ступеньки ЫоС2).

§ 4.2 посвящен экспериментальным наблюдениям термической генерации ННЗ у электрически неоднородных ГР п - 31 - окисел, наиболее часто встречающихся на практике. При этом в отличии от случая, рассмотренного в § 4.1, единственный пик генерации наблюдается только при малых Уе, близких к порогу инверсии С рис 3). С ростом Уе возникает второй, широкий пик, который, начиная с некоторого У е. доминирует в релаксационном сигнале. С возрастанием степени неравновесного обеднения положения максимумов смещаются не в сторону высоких, как на рис. 2, а в сторону низких температур. Нарастающие ветви кривых 1яСТ) не имеют единой энергии активации; эффективный наклон графиков Аррениуса при увеличении Уе уменьшается С рис.3,врезка). Графики СьгСТЗ переходят в единую линию только в пределе больших Уе; при малых Уе квазиравновесные зависимости СьКТ) проходят значительно выше. Это может быть только тогда, когда площадь инвертированной поверхности меньше площади МДП - структуры. По оценке для Уе = -5В доля неинвертированной поверхности не менее 14% Остается заключить, что данной ГР присуща "врожденная" электрическая неоднородность так или иначе связанная с предисторией образа. При сильной инверсии неоднородность не проявляется вследствии экранирования.

Таким образом, отмеченные аномалии естественно связать с неодно-родностями ГР, обусловливающими возникновение сильных локальных электрических полей, существенно превышающих среднее поле и промоти-рующих термополевой механизм активации центров генерации ННЗ Скак легко убедиться, при максимальном Уе =-13В среднее поле на поверхности при неравновесном обеднении не более 8*104 В-'см, а поле в БЮг =2*1О5 В/см. В таких полях эффекты полевого усиления термоионизации невероятны).

500

400

300

200

/60

200

£40

280 Т,К

& I М3/Т

-н.о\

280 Г, К

рис. 3.

Важно заметить, что в однородном случае С рис 2) в средних полях вплоть до «10е В/см аномалии отсутствуют. 06 именно, термополевой

природе аномалий свидетельствуют сильное смещение предвестника к низким температурам и эффективное уменьшение наклона графиков Арре-ниуса с увеличением Уе.

Как известно, термополевые стрессы позволяют индуцировать в области ГР - БЮг особый тип неоднородности - флуктуационный потенциал - за счет контролируемого смещения к ГР со стороны окисла подвижных ионов N2. Термополевая обработка однородной - МОП - структуры, свойства которой отражает рис 2, приводит к резкому изменению картины генерации ННЗ: возникают характерные аномалии качественно коррелирующие с закономерностями явления, отраженными на рис.3.

Результаты этих экспериментов согласуются с теорией генерации ННЗ, развитой Е.И. Гольдманом, основанной на модели межзонной термо-автоэмиссии в электрических полях пятен у ГР полупроводник - диэлектрик с высокой концентрацией встроенных зарядов. Это позволило оценить средний размер неоднородностей *2008, их плотность «103см-2 и концентрацию встроенного заряда в пятне «1013см~г.

Таким образом, факт наблюдения специфического низкотемпературного предвестника с характерной термополевой зависимостью формы и положения, проявляющимся в невысоких средних полях, следует рассматривать как эффективный физический критерий электрически неоднородной границы раздела.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении дан вывод основных количественных соотношений, используемых в тексте диссертации.

ОСНОВНЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЬВОДЫ

1.Разработана и реализована автоматизированная на базе персонального компьютера "Электроника МС 0313" экспериментальная установка

для термоактивационного анализа электронных свойств ГР полупроводник-диэлектрик в режимах стабилизации и измерения ВЧ - емкости МДП-структур;

2.Обоснованы условия эксперимента и развиты алгоритмы обработки данных по релаксационной TAC, обеспечивающие возможность получения сведений о пространственных характеристиках вытекающего в процессе релаксации заряда. На этой основе экспериментально определена зависимость координаты центроида неосновных носителей заряда в n - Si -МОП - структурах по мере их термической генерации в процессе термоактивированной релаксации состояния сильного неравновесного обеднения.

3. На основе расчета температурной зависимости эффективного уровня энергии ЁтСТЭ для случая сосуществования в области ГР ЛЭС с гладким и дискретным спектром показано, что интерпретация стандартных данных по TAC на основе известных теоретических представлений приводит к физически абсурдным результатам;

4. Развит алгоритм обработки экспериментальных кривых ВвСТЗ. позволяющий выделять на "фоне" ПС с гладким спектром дискретные объемные уровни и определять их параметры.

5. С учетом набега потенциала на слое инверсии и вклада опустошения объемного уровня в изменение изгиба зон и ток разряда МДП-структуры рассчитаны временные и температурные зависимости высокочастотной емкости и разрядного тока, обусловленные термической генерацией ННЗ через глубокий объемный уровень в процессе релаксации образца от состояния неравновесного обеднения к состоянию глубокой инверсии.

6. В термоактивационном режиме экспериментально исследована генерация дырок в электрически однородных n - Si - МОП - структурах. Обнаружено хорошее согласие между развитой теорией и экспериментом.

Установлено, что центром генерации является глубокий донор с энергией активации 0,79 ± 0,01 эВ, концентрация . которого резко спадает вглубь полупроводника;

7.Экспериментально обнаружены аномалии термической генерации ННЗ у ГР n - Sí - окисел с врожденной и индуцированной ионным зарядом в окисле электрической неоднородностью: узкие низкотемпературные пики

- "предвестники" тока термогенерации дырок и показано, что природа аномалий связана с термополевой активацией центров генерации в сильных локальных полях неоднородностей границы раздела.

8. Результаты экспериментов в структурах n - Si - S1O2 с неоднородной ГР согласуются с теорией генерации ННЗ, основанной на модели межзонной термоавтоэмиссии в электрических полях пятен с высокой концентрацией зарядов, встроенных у границы раздела полупровдник -диэлектрик. Это позволило оценить средний размер пятен «2008, их плотность «Ю^м-2 . и концентрацию встроенного заряда в пятне «1013см"г.

Публикации по теме диссертационной работы

1.Гольдман Е.И., Ждан А. Г., Маркин Ю. В.. Сумарока A.M. Способ определения положения центроида пространственного заряда в МДП - структурах. Авторское свидетельство № 1641147

2. Гольдман Е. И., Ждан А. Г., Сумарока А. М. Термостимулированный разряд конденсатора - эффективный инструмент электрофизической диагностики границ раздела. Электронная промыиленность, 1990, в. 6, с. 57

- 59.

3. Гольдман Е. И., Ждан А. Г.. Сумарока А. М. Проявление дискретных уровней при релаксационной спектроскопии локализованных электронных состояний с непрерывньм спектром. ФТП, 1990. т.24, в.З, с.503 - 50S.

4. Ждан А. Г., Сумарока А.М.. Клочкова A.M. Цифровой стабилизатор

высокочастотной емкости МДП - структур. ГГГЭ, 1991. в. 5. с. 177 -

5. Веденеев А. С., Ждан А. Г.. Сумарока А. М. . Панков В. Г. , Панченко Р. В. Вакуумный газопроточный криостат для области температур 8 - 500 К. ПТЭ. 1991. в. 2, с. 242 - 243.

8. Гольдман Е. И. , Ждан А. Г. , Сумарока А. М. Термическая генерация неосновных носителей заряда у границы раздела полупроводник - диэ- ' лектрик через глубокий уровень в приповерхностном слое обеднения. ФТП. 1992. т.26. N12. с.2048 - 2056.

7. Ждан А. Г.. Маркин Ю. В. , Сумарока А. М. Термополевая генерация неосновных носителей заряда на границе раздела полупроводник - диэлектрик с врожденной и индуцированной электрической неоднородностью. Микроэлектроника, 1993. т. 22. в печати.

179.

)

Подписано в печать 22.02.1993 г.

Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.22