научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ТОКОВ В ПЛЕНКАХ SIO2 ПРИ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА. ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ТОКОВ В ПЛЕНКАХ SIO2 ПРИ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА. ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 52, № 1, с. 85-96

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ

УДК 621.382 +621.391.822

ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ТОКОВ В ПЛЕНКАХ 8Ю2 ПРИ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА. ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ

ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ

© 2007 г. С. Г. Дмитриев, Ю. В. Маркин, В. М. Носырев, В. Е. Сизов

Поступила в редакцию 20.06.2006 г.

Проведен подробный анализ факторов, влияющих на точность и чувствительность метода динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) ионных токов для структур металл-окисел-полупроводник с малой концентрацией подвижных ионов в окисле (А£ ~ (109.. ,1010) см 2). Синхронные измерения ДВАХ и низкочастотных вольт-фарадных характеристик, выполненные на соответствующей экспериментальной установке, показали что точность измерений концентрации а 109 см-2 составляет ~10%.

РАС8: 84.37^

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс технологии кремниевой микроэлектроники привел в настоящее время к созданию современных сверхбольших интегральных схем с огромной степенью интеграции и высоким быстродействием: число транзисторов на чип в современных микропроцессорах превышает 108, а тактовая частота более 3 ГГц (Pentium 4) [1]. При этих темпах, длина затвора МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторов может достичь в 2016 г. ~9 нм [1]. Требования к технологии изготовления таких приборов всегда были высоки: плотность пограничных состояний (ПС) на границе раздела (ГР) Si-SiO2 и концентрации подвижного и связанного заряда в пленке окисла не должны превышать ~1010 см-2. Миниатюризация лишь повышает нормативы, и в настоящее время речь идет о величинах ~109 см-2 [2-3].

Необходимой чувствительностью, требуемой при диагностике уровня ~109 см-2, обладает метод динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) I(Vg) [4]. Поэтому для определения приведенной (на единицу площади) концентрации NS подвижных носителей заряда в пленках SiO2 кремниевых МОП-структур (а также и в диэлектрических пленках других МДП (металл-диэлек-трик-полупроводник)-структур) используется метод квазистатических ДВАХ (с медленными скоростями pF = dVg/dt ~ (1-10) мВ/с развертки напряжения Vg, t - время) [3-8]. Современный вариант данного метода предполагает совместные измерения токов ДВАХ и низкочастотной вольт-фарадной характеристики (НЧ ВФХ) CH4(Vg) об-

разца [3, 9-11]. Отметим, что известный емкостной метод измерения N по сдвигу высокочастотных ВФХ (ВЧ ВФХ) менее точен ~1010 см-2 [3, 5-7] из-за перезарядки медленных ПС [5, 7]. Для определения эффективной плотности ПС ОПС при комнатных температурах также используют [4, 7, 12-13], измерения квазистатических и высокочастотных ВФХ, желательно синхронные [14].

Исследования ДВАХ при малых (ё1010 см-2) концентрациях подвижного заряда весьма интересны и с научной точки зрения (см., например, 15]), однако измерения (и их интерпретация) осложняются рядом обстоятельств, затрудняющих анализ природы изучаемых процессов. В данной работе представлены ДВАХ при малых значениях N а 109 см 2 на медленных развертках фу а 1 мВ/с) и подробно обсуждены факторы, влияющие на чувствительность метода и форму ДВАХ для этой области параметров. Для анализа природы токов проведены синхронные с ДВАХ измерения НЧ ВФХ.

1. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МЕТОДА

Чувствительность при измерениях А определяется соотношением между вкладами ионных I и емкостных 1С токов в 1(Уя). По порядку величины I] ~ Р^Ау/АУ^ в области ионного пика на

ДВАХ, а 1с = РуСнч(Уя) ~ 1ок = вуСок£ (см., например, [7]). Здесь q = 1.6 х 10-19 К - элементарный заряд, £ - площадь контакта к окислу, АУ1/2 - полуширина ионного пика на ДВАХ (которая обычно равна ~0.5 В [3-8]), 1ок - емкостной ток пленки,

Сок = Сок/Л = £ок/й - емкость окисла на единицу площади, й - толщина окисла, £ок = £0 £ ок - диэлектрическая проницаемость, а £ ок = 3.9 - относительная диэлектрическая проницаемость 8Ю2 [7], £0 = 8.854 х 10-14 Ф/см. Токи I\ и 1С сравнимы при

некотором N = Сок ЛУ1//2/д ~ 1011 см-2 (при й ~ ~ 1000 А С ок ~ 3.5 х 108 Ф/см2). Однако при N а

а 109 см-2 (т.е. когда N ~ 10-2 N) ионные пики составляют лишь проценты от емкостных, так что ионный пик едва заметен на ДВАХ, и даже для надежной его регистрации требуется определенный уровень точности эксперимента (см. теоретический анализ в [15]).

Действительно, во избежание маскирующего влияния неравновесных процессов в полупроводнике, используются медленные развертки, как правило, вУ ~ 10 мВ/с, [7, 11-21]. Тогда для типичных (удобных для анализа) образцов с 5 ~ 1 мм2 (хотя используются и 5 ~ 0.1 см2) [7] характерные токи 1ок ~ 3.5 х 1012 А (при вУ = 10 мВ/с и й = 1000 А), а ионные токи при ~ 109 см 2 лишь 11 ~ (10-1310-14) А, т.е. проценты на фоне 1ок. Более того, для полной реализации квазиравновесия ионов [18] или электронов на ловушках (медленных ПС) в окисле [19] требуются еще меньшие значения вУ ё 1 мВ/с [18-19]. Но тогда (при вУ ~ 1 мВ/с и тех же прочих параметрах) ошибка Л ~ 10-14 А в токе приводит к ошибке ЛМ8 ~ Л1(2ЛУ1/2)/двуЛ ~ 6 х 109 см-2, т.е. порядка 100% в Ы3.

Аналогично и при квазистатических измерениях ОПС [3, 7, 12, 19] ошибка Л1 в токе приводит к ошибке в квазистатической емкости ЛСкс = Л1/ву, а затем и в плотности ПС

ЛБпс = 4-Л[Скс/( 1- Скс/Сок)] .

д л

Так что при Л ~ 10-14 А и тех же прочих параметрах ЛОПС ~ 1010 эВ-1 см 2 даже для середины запрещенной зоны (см., например, [21]), хотя на точность в этом случае сильно влияют и другие параметры [7, 22-23].

Далее, при медленных измерениях малых токов возрастает негативная роль стационарных утечек, которые могут достигать значений ~(10-12...10-13) А. Обычно их связывают с поверхностной проводимостью по образцу [7] и с утечками по деталям монтажа, которые заметно растут при нагреве в области Т ~ 250...300°С [24]. Обратим, однако, внимание на сквозные токи "утечек" сквозь окисел (см., например, [25]). В обычных условиях они заметны лишь на отдельных ("плохих") образцах, вырезаемых из общей пластины

(и расцениваются как свидетельство локальной дефектности окисла). Однако при многократных термополевых воздействиях такие токи могут развиваться и на хороших образцах. Причем подвижные ионы в окисле только усугубляют положение дел, так что многократные измерения ДВАХ, особенно на образцах с большими Ы8 ~ ~ 1012 см-2, приводят к росту утечек, а в конечном счете и к низкополевому пробою образца.

Заметные флуктуации тока при электрометрических измерениях может вызывать и нестабильность температуры. Между тем измерения ионных токов часто проводятся в широких температурных диапазонах при Т ~ 150...300°С [3-11, 20-21, 25] или даже Т ~ 300...350°С [5-8, 26]. При квазистатических исследованиях ПС расширение диапазона Т также полезно [7, 16], однако маскирующее влияние ионных токов может сказываться уже при Т ё 100°С [7, 14]. Другими источниками нестабильностей и шумов служат нестабильность развертки напряжения Уг при малых ее скоростях вУ, дрейфы "нулей" измерительных приборов и генераторов, тепловые шумы и т.п.

Отметим, что обсуждаемые факторы влияют не только на возможность регистрации ионных пиков: их неучет при малых N может привести к дополнительным "вкладам" в ДВАХ или даже к появлению ложных пиков на ней. Поэтому точность измерений и "паразитные" вклады играют здесь принципиальную роль.

2. МЕТОДИКА И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

В работе [11] в развитие [27] предложена методика для синхронного измерения ДВАХ и НЧ ВФХ при высоких, вплоть до 300°С, температурах. Для повышения температур азотный крио-стат и электронный терморегулятор, описанный в [28, 29] были модернизированы. В состав терморегулятора для измерения термо-ЭДС термопары медь-константан был "встроен" цифровой вольтметр Щ-300, единица младшего разряда которого на шкале 10 мВ соответствует изменению температуры ~0.02 К в области Т ~ 150.. .240°С. Криостат же был адаптирован под измерения малосигнальной дифференциальной емкости МДП-структуры на разных частотах (см. [11, 18]). Необходимо, однако, дальнейшее развитие методики.

Для повышения стабильности малых (вУ ~ 1 мВ/с) линейных разверток напряжения смещения У генератор биполярных треугольных импульсов (ГТИ) 3 (рис. 1) был собран на операционном усилителе (ОУ) ОР97 [30] с емкостной обратной связью (интегрирующая схема) [11, 31] и с компенсацией дрейфа постоянного уровня напряжения Уг [31]. Управление генератором осуществляется в авто-

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для регистрации динамических вольт-амперных характеристик МДП-структуры: 1 - устройство управления; 2 - блок реле; 3 - автоматизированный генератор линейно изменяющегося напряжения; 4 - электрометрический преобразователь ток-напряжение; 5 - источник опорного напряжения; 6 -вакуумная камера криостата; 7 - термостабилизируемый столик (подложка) для размещения образца Смдп; 8 - прижимной токовый зонд; 9,10 - вакуумные разъемы; 11 - разъем интерфейса Centronics ПЭВМ IBM PC/AT; A, Б, В, Г -выводы, подсоединяемые к соответствующим точкам схемы для синхронной регистрации низкочастотной дифференциальной емкости МДП-структуры и к цифровым вольтметрам Щ-300 [11], Д - точка подсоединения цепи низкопотенциального входа цифрового измерителя иммитанса [11] (вывод В) к электрометрическому зонду 8.

матическом режиме с помощью персонального компьютера [11], а требуемая временная зависимость Vg(t) вырабатывается следующим образом. Устройство управления 1, собранное на восьмиразрядном регистре хранения информации К555ИР35 и подключенное непосредственно к разъему 11 интерфейса Centronics компьютера (параллельный принтерный порт), вырабатывает управляющие импульсы для блока реле 2, коммутирующего соответствующие цепи в электронной схеме генератора 3, т.е. речь идет о выборе соответствующего резистора R*, выборе знака потенциала ¥и встроенного в генератор источника постоянного напряжения, о подключении/отключении этого потенциала к входу (от входа) интегратора и о сбросе выходного напряжения генератора Vg в нулевое значение. Пример подобного устройства управления представлен в [32]. Поскольку в описываемой схеме величина скорости ßV задается выбором одного из

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком