Электрофизические методы исследования планарно-неоднородных и ионно-легированных МДП-структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Актуальность темы. Развитие микроэлектроники необходимо сопровождается разработкой электрофизических методов исследования базовых элементов интегральных схем (ИС). Прецизионные электрофизические методы, включающие измерения временных, полевых и температурных зависимостей емкостей и токов, явились основным средством исследования электрически активных дефектов в полупроводнике, на границе раздела диэлектрик-полупроводник и в диэлектрическом слое базовой микроэлектроннойктуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). При этом методы, первоначально разработанные для однородных МДП-структур, оказались недостаточно адекватными для контроля электрофизических параметров в планарно-гетерогенных и ионно-легированныхктурах, отличающихся неоднородным распределением поверхностного потенциала и легирующей примеси. Возникла необходимость учета микронеоднородности распределения поверхностного потенциала и сложного профиля легирования полупроводника при определении энергетического спектра поверхностных состояний (ПС), эффективного поверхностного заряда, порогового напряжения и других электрофизических характеристик МДП-структур и приборов на их основе. Решение указанных проблем необходимо, чтобы обеспечить сочетание основных достоинств электрофизических методов - высокой чувствительности к обнаружению дефектов и возможности проведения исследований на тестовыхктурах и непосредственно в рабочих элементах МДП ИС с достоверностью результатов, получаемых при интерпретации экспериментальных данных.

Еще одна актуальная проблема современной микроэлектроники -разработка бесконтактных, неразрушающих методов контроля зарядовых параметров диэлектрика и границы раздела диэлектрик-полупроводник. Наиболее удобным с этой точки зрения является метод вибрационного динамического конденсатора или метод Кельвина-Зисмана. Представляется актуальным также создание автоматизированных 5 установок для экспресс-контроля качества границы раздела диэлектрик-полупроводник на ранних стадиях производства МДП ИС.

Цель работы: разработка электрофизических методов исследования энергетического спектра и зарядовых свойств планарно-неоднородных и ионно-легированных МДП-структур.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования.

1. Разработка методики контроля параметров границы раздела и планарных зарядовых флуктуации в структуре диэлектрик-полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора.

2. Разработка методики контроля электрофизических параметров ионно-легированных МДП-структур методом вольт-фарадных характеристик (ВФХ).

3. Разработка методики определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора методом стационарных подпороговых вольт-амперных характеристик (ВАХ).

На защиту выносятся:

1. Методика спектроскопии поверхностных состояний (ПС) и определения параметров границы раздела в структуре диэлектрик-полупроводник с использованием метода вибрационного динамического конденсатора.

2. Методика исследования планарных зарядовых флуктуаций в структуре диэлектрик-полупроводник вибрационным конденсаторным методом.

3. Вольт-фарадный метод контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования полупроводника.

4. Экспресс-методика контроля электрофизических и зарядовых параметров ионно-легированных МДП-структур.

5. Модель выходных и передаточных ВАХ планарно-неоднородного МДП-транзистора.

6. Методика определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора по подпороговым ВАХ. 6

Научная новизна.

1. Предложена методика спектроскопии ПС в структуре диэлектрик полупроводник вибрационным конденсаторным методом с использованием модуляции поверхностного потенциала нагреванием или нанесением на внешнюю поверхность диэлектрика коронного разряда.

2. Разработана методика определения пленарных зарядовых флуктуаций в структуре диэлектрик-полупроводник методом вибрационного динамического конденсатора.

3. Предложена методика моделирования вольт-фарадных характеристик МДП-структур с произвольным профилем легирования полупроводника с помощью численного решения уравнения Пуассона методом пристрелки начальных условий, позволившая существенно повысить точность контроля электрофизических параметров таких структур вольт-фарад ным методом.

4. Разработана экспресс-методика контроля энергетического спектра ПС и зарядовых свойств ионно-легированных МДП-структур, опирающаяся на аналитическое решение уравнения Пуассона для гауссовского профиля легирования полупроводника.

5. Впервые предложена модель выходных и передаточных ВАХ планарно-неоднородного МДП-транзистора.

6. Разработана методика определения флуктуационного параметра, средней плотности поверхностных состояний и заряда окисла в планарно-неоднородном МДП-транзисторе по его подпороговым ВАХ.

Практическая значимость результатов работы. Предложенные в настоящей работе методики контроля энергетического спектра ПС и планарной однородности зарядовых свойств структуры диэлектрик-полупроводник вибрационным конденсаторным методом дают возможность отбраковки пластин на начальной стадии технологического процесса изготовления МДП ИС, то есть до формирования затворов. Учёт сложного профиля легирования полупроводника при расчёте теоретических ВФХ 7 позволяет существенно повысить точность контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования полупроводника, в частности, ионно-легированных. Разработанная методика определения флуктуационного и поверхностных параметров планарно-неоднородного МДП-транзистора по его выходным и передаточным ВАХ в области слабой инверсии позволяет контролировать указанные параметры непосредственно в готовых МДП-транзисторах.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в настоящей работе, докладывались на XXXI Международном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2000).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 статей в местной и центральной научной печати и 3 доклада на научно-технических конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения с выводами и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 109 страниц машинописного текста, включая 24 рисунков. Список литературы состоит из 83 источников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы особенности применения метода вибрационного динамического конденсатора (зонда Кельвина) для исследования зарядовых свойств межфазных границ раздела диэлектрик -полупроводник. Показано, что для эффективного варьирования поверхностного электростатического потенциала полупроводника можно использовать его температурную зависимость, а также обработку поверхности диэлектрика коронным разрядом или ультрафиолетововым излучением. Измерение поверхностного потенциала в рамках метода Кельвина осуществляется по изменению напряжения компенсации после воздействия на исследуемую структуру интенсивного светового потока, достаточного для спрямления энергетических зон полупроводника (фотовольтаический эффект).

2. Разработан бесконтактный способ определения важнейших поверхностных параметров структуры диэлектрик - полупроводник на примере структуры 31-8Ю2. Способ позволяет определить поверхностный электростатический потенциал и характер его распределения по координате вдоль поверхности пластины, оценить качество окисла, определить энергетическое распределение плотности поверхностных состояний в области энергий, соответствующей области обеднения полупроводника, эффективный поверхностный заряд структуры, а в предположении об амфотерности ПС - и эффективный заряд в диэлектрическом слое. Результаты экспериментального исследования зарядовых свойств структуры Б^вЮг, полученные предложенным методом и широко используемым методом вольт-фарадных характеристик, хорошо согласуются и подтверждают его работоспособность. Способ рекомендуется для межоперационного контроля качества МОП- структур на ранних стадиях их производства.

3. Разработана методика моделирования теоретических вольт-фарадных характеристик МДП- структуры со сложным профилем легирования полупроводника, основанная на численном решении уравнения

Пуассона методом Рунге- Кутта и пристрелки начальных условий. Учет примесной неоднородности полупроводника в теории ВФХ позволяет более точно контролировать такие электрофизические параметры неоднородно- легированных МДП- приборов, как напряжение плоских зон, эффективный поверхностный заряд, пороговое напряжение, спектральную плотность поверхностных состояний наиболее простым и удобным для этой цели вольт- фарадным методом. Предложена методика расчета ВФХ, позволяющая аналитически построить СЛ/ кривые в области обеднения для ионно- легированных МДП- структур с гауссовским профилем распределения примеси без численного решения уравнения Пуассона. Методика рекомендуется для корректного экспресс- контроля электрофизических параметров ионно-легированных МДП- структур емкостными методами. Разработана теоретическая модель планарно- неоднородного МОП-транзистора, позволяющая объяснить изменение его подпороговых ВАХ и сдвига порогового напряжения после воздействия ионизирующего облучения возникающими флуктуациями поверхностного потенциала полупроводника.

Разработан метод определения энергетического спектра поверхностных состояний, флуктуационного параметра и эффективного заряда в окисле по семейству подпороговых ВАХ и пороговому напряжению МОП- транзистора. Метод обеспечивает исследование параметров МДП- транзистора с учетом планарной зарядовой неоднородности и удобен для тестового контроля интегральных микросхем.

102

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн.: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. Кн. 1. 456 с. Кн. 2. 456 с.

2. Литовченко В.Г., Горбань А.П. Основы физики микроэлектронных систем металл диэлектрик - полупроводник. Киев: Наукова думка, 1978. 315 с.

3. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука, 1984. 253 с.

4. Гуртов В.А. Электронные процессы в структурах металл диэлектрик -полупроводник. Петрозаводск: Петрозаводский госуниверситет. 1984. 113с.

5. Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1985.264 с.

6. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1987. 239 с.

7. Garrett С.G., Brattain W.H. Physical theory of semiconductor surfaces // Phys. Rev. 1955. V. 99. №2. P. 376-397.

8. Бормонтов E.H. Физика и метрология МДП- структур.- Воронеж. 1997.184 с.

9. Lindner R. Semiconductor surface varactor // Bell Syst. Tech. Jour. 1962. V. 41. №3. P. 803-831.

10. Нахмансон P.C. Теория поверхностной емкости // ФТТ. 1964. Т. 6. №4. С. 1115-1124.

11. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с исп. М.: Высшая школа. 1991. 352 с.

12. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 632 с.

13. Brews J.R. A Charge- Sheet Model of the MOSFET // So!.-St. Electron. 1978. V. 21. P.345-352.

14. Van Overstraeten R.J., Declerck G.J. and Broux G. The influence of surface potential fluctuations on operation of the MOB transistor in weak inversion // IEEE Trans. Electron Dev. 1973. V. ED-20. N12. P. 1154-1158.

15. Swanson R.M. and Meindl J.D. Ion-implanted complementary MOS transistors in low-voltage circuits // IEEE Sol.-St. Circuits. 1972. V. SG-7. N4. P. 140-153.

16. Van Overstraeten R.J., Declerck G.J. and Muls P.A. Theory of the MOS transistor in weak inversion new method to determine the number of surface states // IEEE Trans. Electron. Dev. 1975. V. ED-22. N5. P.282-288.

17. Terman L.M. An investigation of surface states at a silicon silicon oxide interface employing metal - oxide - silicon diodes // Sol.-St. Electron. 1962. V. 5. №3. P. 155-163.

18. Gray P.V., Brawn D.M. Density of Si-Si02 interface states // Appl. Phys. Lett. 1966. V. 8. №2. P. 31-33.

19. Berglund C. Surface states at steam-grown Si-Si02 interfaces // IEEE Trans. Electron. Dev. 1966. ED-13. №11. P. 701-712.

20. Kuhn M. A quasi-static technique for MOS C-V and surface state measurements// Sol.-St. Electron. 1970. V. 13. №6. P. 873-885.

21. Ziegler K., Klausmann E., Kar S. Determination of the semiconductor doping profile right up to its surface using the MIS capacitor // Sol.-St. Electron. 1975. V. 18. №2. P. 189-198.

22. Kinder R., Frank H. Determination of doping profiles for low boron ion implantations in silicon //Sol.-St. Electron. 1988. V. 31. №2. P. 265-268.

23. Nicollian E.H., Goetzberger A. The Si-Si02 interface electrical properties as determined by metal insulator - silicon conductance technique // Bell Syst. Tech. Jour. 1967. V. 46. №5. P. 1055-1133.

24. Brews J.R., Lopez A.D. A test for lateral nonuniformities in MOS device using only capacitance curves// Sol.-St. Electron. 1973. V. 16. №11. P. 12671277.

25. Bormontov E.N., Lukin S.V. Simulation of C-V curves of MIS structures with nonuniformly distributed surface potential II Proc. of the 5th Int. Conf. on Simulation of Devices and Technologies. Obninsk. 1996. P. 35-39.104

26. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов. М.: Гостехиздат, 1955. 280 с.

27. Федорович Ю.В., Фогель В.Ф. Участие электронно-ионных процессов в поверхностных явлениях полупроводников / В кн.: Некоторые проблемы физики и химии поверхности полупроводников. Новосибирск, 1972. С. 181-213.

28. Bess Н., Oswald R., Ohring М. Contact potential measurement on thin Si02films/Solid State Electron. 1974. V. 17. N8. P. 813-817.

29. Гуртов B.A. Радиационные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Петрозаводск: Изд-во Петрозаводского университета, 1988. 96 с.

30. Williams R., Woods М.Н. High electric fields in silicon dioxide praduced by corona charging/J.Appl.Phys. 1973. V. 44. N3. P. 1026-1028.

31. Жарких А.Л., Шпеньков Г.П. Измеритель контактной разности потенциалов/Приборы и техника эксперимента. 1978. №2. С. 297.

32. Zisman W. A new method of measuring contact potential differences in metals/The Review of Scientific Instruments. 1932. N7. P. 367-370.

33. Rosenfeld S., Hoskins W. A modified zisman apparatus for measuring contact potential differenses in Air / The Review of scientific Instruments. 1945. N12. P. 343-345.

34. Пети-Клерк И., Каретт Дж. Новый датчик Кельвина с обратной связью/ Приборы для научных исследований. 1968. №6. С. 129-130.

35. Алейников Н.М., Лихолет А.Н., Мудров А.К. Прибор для контроля состояния поверхности полупроводников методом контактной разности потенциалов/Приборы и техника эксперимента. 1974. №6. С. 188-190.

36. А.с. №574684 СССР. МКИ2 GOIR 29/12 Способ измерения локальной плотности поверхностного заряда/Ю.Д.Арсентьев, В.П.Пронин.105

37. A.c. 1026088 СССР МКИ3 01 2912 Устройство для измерения контактной разности потенциалов / Крячко В.В., Глазнев А.Н., Мажулин A.B. и др.

38. Мажулин A.B. Исследование возможности производственного контроля качества отмывки поверхности кремния методом контактной разности потенциалов / Электрон.техника. Сер.6: Материалы. 1981. Вып.1(150). С. 30-31.

39. Finster J., Schulze D., Meisel A. Characterization of amorphous SiOx layers with ESCA/Surface Silicon. 1985. V. 162. N1-3. P. 671-679.

40. Бутусов И.Ю., Крячко B.B., Котов В.В., Лобов И.Е. Измерение потенциала поверхности кремниевых пластин в процессе производства БИС/Электронная промышленность. 1994. №4-5. С. 104-105.

41. Бутусов И.Ю., Крячко В.В., Котов В.В., Сухоруков Н.И. Определение чистоты поверхности кремниевых пластин в производстве БИС / Электронная промышленность. 1994. №4-5. С. 111-113.

42. Бутусов И.Ю., Крячко В.В., Тонких H.H. Измерение распределения электрической прочности тонких диоксидных пленок / Электронная промышленность. 1994. №4-5. С. 108-109.

43. Бормонтов E.H., Борисов C.B., Крячко В.В., Лукин C.B. Спектроскопия поверхностных состояний в структурах диэлектрик-полупроводник методом вибрационного конденсатора // Твердотельная электроника и микроэлектроника. Воронеж. 1997. С. 28-34.

44. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир. 1986. С. 115-147.

45. Sah С.Т. Origin of interface states and oxide charges generated by ionizing radiation // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1976. NS-23. N 6. P. 15631568.

46. Рыбкин С.В. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз. 1963.496 с.

47. Castan Е. et al. Interface state density measurement in MOS structures by analysis of the thermally stimulated conductance. II Sol.-St. Elect. 1990. V.33. № 8. P. 987-992.

48. Бормонтов E.H., Головин С.В., Котов С.В., Лукин С.В. Исследование поверхностных состояний в МДП-структурах методом двухтемпературной полной проводимости. IIФТП. 1995. Т.29. №5. С. 646653.

49. Lenahan P.M., Brower K.R., Dressendorfer P.V. Radiation- induced trivalent silicon defect buildup at the Si-Si02 interface in MOS structures // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1981. V. NS-28, No 6. P. 4105-4111.

50. Lenahan P.M., Dressendorfer P.V. Hole traps and trivalent silicon centers in metal-oxide-silicon devices // J. Appl. Phys. 1984. V. 55, No 10. P. 34953499.

51. Jupina M.A., Lenahan P.M. Spin depended recombination: a 29Si hyperfine study of radiation induced Pb-centers at Si-Si02 interface // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1990. V. NS-37, No 6. P. 1650-1657.

52. McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal-oxide-semiconductor transistors // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 48, No 2. P. 133-135.

53. Мосейчук А.Г. Экспериментальное моделирование неоднородной по площади поверхностной генерации носителей заряда в МДП- структурах // ФТП. 1996. Т.ЗО. С 1225-1230.

54. Гуртов В.А., Золотов М.В. Влияние крупномасштабных неоднородностей на релаксацию неравновесной емкости МДП- структур //ФТП. 1995. Т. 19. Вып 12. С 2127-2130.107

55. Nakhmanson R.S., Sevastianov S.B. Change fluctuations in Si-Si02 interface // Int. J. Electronics. 1984. Vol.57, N 3. P. 379-389.

56. Nakhmanson R.S., Sevastianov S.B. Investigations of metal-insulator-semiconducter structure inhomogeneities using a small-size mercury probe // Sol.- St. Electron. 1984. Vol.27, N 10. P. 881-891.

57. Гергель B.A., Сурис P.A. Теория поверхностных состояний и проводимости в структурах металл-диэлектрик-полупроводник // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1983. Т.84, вып.2 . С. 719736.

58. Бормонтов Е.Н., Борисов С.Н., Волков О.В., Левин М.Н., Лукин С.В. Моделирование вольт-фарадных характеристик для контроля электрофизических параметров МДП-структур со сложным профилем легирования // Известия вузов. Электроника. 1999. №5. С. 33-39.

59. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для ПЭВМ. М. Наука. 1987. 240 с.

60. Zohta Y. Frequency dependence of AV/A(C"2) of MOS capacitors // Sol.-St. Electron. 1974. V. 17. №12. P. 1299-1309.

61. Kennedy D.P., O'Brien. IBM Jour. Res. Dev. 1969. V. 13. P. 212.

62. Ishivara H. et al. Ion implantation in semiconductors. N.-Y.: Plenum Press. 1975. 345 p.

63. Риссел X., Руге И. Ионная имплантация: Пер. с нем. М.: Наука. 1983. 425 с.

64. Бормонтов Е.Н., Головин С.В. Автоматизированная установка для контроля и анализа электрофизических характеристик МДП-структур // Известия вузов. Электроника. 1998. №4. С. 95-100.

65. Karmalkar S. and Bhat К. N. The shifted-rectangIe approximation for simplifying the analysis of ion-implanted MOSFETs and MESFETs // SolidState Electronics. 1991. V.34. P. 681-692.

66. Бормонтов E.H., Борисов C.H., Леженин В.П., Лукин С.В. Вольт-фарадный метод контроля зарядовых свойств ионно-легированных структур металл-окисел-полупроводник // Письма в «Журнал технической физики». 2000. Т. 26, вып. 21. С. 76-81.108

67. Bormontov E.N., Lezhenin V.P. Si-Si02 interface property vs T with respect to boron // 1997 MRS Spring Meeting. San Francisco. Symposium E. Abstract #10425.

68. Бормонтов E.H., Леженин В.П. Численно-аналитическая модель МОП-транзистора с неоднородно легированной подзатворной областью // Микроэлектроника. 1995. Т. 24. №5. С. 343-348.

69. Brews J.R. Theory of the carrier-density fluctuations in an IGFET near threshold // J. Appl. Phys. 1975. V. 46. N5. P. 2181-2192.

70. Werner C., Bernt H., and Eder A. Inhomogeneities of surface potential in the thermally grown Si-Si02 interface // J. Appl. Phys. 1979. V. 50. N11. P. 7015-7019.

71. Zeigler K., Klausmann E. Properties of the interface charge inhomogeneities in the thermally grown Si-Si02 structure // Appl. Phys. Lett. 1976. V. 28. N1. P. 678-681.

72. Ionizing radiation effects in MOS devices and circuits // Ed. by T.P.Ma and P.V.Dressendorfer. N.-Y.: Wiley Interscience. 1989. 760 p.

73. Terletzki H., Boden A., Wulf F. and Fahner W.R. Laterally inhomogeneous charge build-up in CMOS inverters during ionizing irradiation // Phys. Stat. Sol. (a). 1984. V. 86. P. 789-794.

74. Freitag R.K., Burke E.A., and Brown D.B. Growth and annealing of trapped holes and interface states using time-dependent biases // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1987. V. 34. N6. P. 1172-1177.

75. Saks N. and Ancona M.G. Generation of interface states by ionizing radiation at 80 К measured by charge pumping and subthreshold slope techniques // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1987. V. 34. N6. P. 1348-1354.

76. Xapsos M.A., Freitag R.K., Dozier C.M., Brown D.B. Separation of radiation induced and process induced lateral non-uniformities // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1990. V. 37. N6. P. 1671-1681.

77. Freitag R.K., Burke E.A., Dozier C.M., and Brown D.B. The development of non-uniform deposition of holes in gate oxides // IEEE Trans. Nuc. Sci. 1988. V. NS-35. N6. P. 1203-1207.

78. Fleetwood D.M., Shaneyfelt M.R., Schwank J.R., Winokur P.S., and Sexton F.W. Theory and application of dual-transistor charge separation analysis // IEEE Trans. Nucl. Phys. 1989. V. 36. N6. P. 1816-1824.

79. Shanfield Z. and Moriwaki M.M. Critical Evaluation of the Midgap-Voltage-Shift Method for determination oxide trapped charge in irradiated MOS Devices// IEEE Trans. Nucl. Phys. 1987. V. 34. N6. P. 1159-1165.

80. Van Overstraeten R.J., Declerck G.J. and Broux G. On adequacy of the classical theory of the MOS transistor in weak inversion // IEEE Trans. Electron. Dev. 1973. V. ED-20. N12. P. 1150-1153.