Введение к работе
Актуальность. Структуры ыэтадл - диэлектрик - полупроводник (ЩП-структуры) являатса одним из базовых конструктивных алеыэнтов изделий полупроводниковой технологии. . Нх дальнейшее совероенствова-еиє связано с нзучениеи и контролем все более тонких, как правило, труднодоступных свойств, что требует создания необходимых инструментальных средств.
С позиции алектрітческкх измерений теория ЦЕЩ-структур основывается на представлении их в виде комплексной проводшести с сосредо-точеявіяяі и распределеквшя- параиетрашг. Такав оайоаяЕэ позволгзт использовать ыетсды и средства измерении парачатроз ксзшлзксеых вэ-лпчня (ПКВ), в частности, параметров іашгсзлеиеатннх дзухполвснЕКОЗ.
В настоящее вреія в рассматриваемой прикладной области канэрэ-пкй стоят вадяча получения более поетой и достоЕгрпсй ізі^орьеащпі о распределенных параметрах, харзктернзупцзх такие 'ватные свойства МШ-структур, как параметры ловушек, в частности, погзрхиостюа, влипздях на стабильность, быстродействие, уровень оуна п другие качественные показателя иккроезеы. Особуэ гсгуаяьвость эта дроблена получила с созданием нового псісолеппя С2ПС, что сопрягено с пароходом на субшзкронные топологические нормы, и, как следотвкэ, с проявлением зф&гктов, выеыеещих деградацию характеристик приборов. Лва-логичниэ дроблены стоят п при создания рздиащзэнно-стейких гнкресхеи.
Параметры лозуггк, а апачпт, и соотаэтетвуафэ кшпзнонты кеы-плексной проводимости ИЩ-структуры сложно контролировать, поскольпу они имеет нелинейный и распредели іпікй по энергии характер и пх рэ-акция на внесшее воздействие обычно имеет малый вес в общэй peav'v.i!.
Указанные вызэ обстоятельства епрадолили цель двзезртациоЕней роботы.
Педь работы-. Рагработіїа, теоретическое и зкеперкиаятагыюэ исследование методов и средств измерения (СП) раопрсдолевЕых пзргкет-ров комплексной проводимости ЩЦ,-структур.
Основными задачами исследования являтися:
-
Анализ сутцэствущего состояния з области контроля п япиерэ-нея параметров ВДП-структур. Сопоставитальнкй, в аспекте злэктричэс-ics sraiepeEiK, аналіз- изтодоз изь-'-эренха пгра'гзтров поверхностных ловушек (ШІ) - сЗьеігса прішогепіш данной работы, п математического списания связанной с ппии кхзілоксной проепдіїїісстя.
-
Определенно наиболее стцлльпого, для постановки я репеттпэ' изгорите ль ной задачи, и&тсиаткческого оіпісашя, свяаывакцего. реакцгаз
-. 4 -Ш с тестовым электрическим воздействием.
-
Исследование ыодели комплексной проводимости КйП-структуры, учитывающей распределенные параметры, с целью выявления ее существенных свойств для разработки измерительных методик.
-
Разработка методик измерений распределенных параметров комплексной проводиыости ЦЩ1-структуры, аппаратных и программных средств измерений, методик метрологической аттестации.
Методы исследования заключались в анализе математических моделей с использованием численного моделирования для решения прямой и обратной (измерительной) задач. Исполъзозадись также анализ и синтез теории электрических цепей, привлекался аппарат математического анализа, теории вероятности, теории чувствительности, теории погрешностей, методов оптимизации. Экспериментальное исследование включало в себя метрологическую аттестацию разработанных СИ с использованием поверочных мер и натурные эксперименты на реальных МЦП-структурах.
Научная новизна.
-
Показана целесообразность выделения в классе распределенных систем подкласса систем с энергетически распределенными параметрами (ЭР-систеы) и разработки для них специализированных средств измерений. Предложена двумерная математическая ыодель комплексной проводимости ЭР-систеыы в качестве описания составляющей комплексной проводимости ЦДЛ-структуры, связанной с энергетически распределенными параметрами. Доказана оптимальность этого описания , как с точки зре-нзя адекватности объекту прилежания., так и с точки зрения постановки измерительной еадачи.
-
Установлены закономерности предложенной модели, полаканные в основу штсдак и алгоритмов измерительных процедур. Определена система параметров ыодели, получены математические выражения, устанав-лнзетвиа нх взаимосвязь.
-
Разработана ыетодика определения первичных параметров модели ЄР-систеш, основанная на синтезе электрической цепи по полученным в процессе измерений экспериментальным данным.
-
Разработана методика идентификации условий измерительного эксперимента, позволяющая прогнозировать достоверность определяемых параметров.
Практическая ценность:
-
Разработана методика измерения параметров ШЇ в ЩП-сгрукту-рах, лучше известных- обеспечнзахщая формализации измерительного процесса и метрологическую аттестацию СИ.
-
Выработаны рекомендации по дискретизация частотного диапазона, .получена объективные значения уровней тест-сигнала, удовлетвори-
- є - .
сщие условно ыалосигналъного приближения.
-
Выделены группы СИ в соответствии с их назначением. Для каждой группы дана структура возникновения .погрешности измерения параметров ПЛ и выработаны требования по функциональным и метрологическим характеристикам. В результате возможны обоснованный выбор, целенаправленное совершенствование существупцих или разработка новых СИ.
-
Предложена методика измерений, позволяющая эффективнее использовать супйствусщий парк СМ для данной прикладной области.
-
Разработаны структуры измерительных преобразователей, на их основе созданы и внедрены приборы и автоматизированные системы для измерешш и контроля параметров ПЛ и ряда других характеристик ВДП-структур, в частности, полного заряда диэлектрика, профиля концентрации легкруюаей примеси, зарядовой стабильности при стрессовых воздействиях, с разделением вклада от ПЛ и от ловушек в диэлектрике.
-
Разработаны специализированные методики метрологической аттестации, устанавливающие оптимальное, по критерию информативности п трудоемкости, поле аттестуемой погрешности измерительных преобразователей и систем, что позволяет арестовывать, сопоставлять и делать обоснованный выбор среди существувдих СИ и форыулировать объективное техническое задание на разработку ноеых СИ.
Достоверность полученных результатов подтверждена численными экспериментами с использованием теоретических моделей, натурными экспериментами с использованием реальных ЭДЩРструктур, подвергаешь стрессовым воздействиям, метрологическими испытаниями разработанных СИ с использованием аттестованных поверочных мер. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором.
Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при разработке и создании ряда измерительных преобразователей, приборов и автоматизированных систем. К настоящему времени внедрены: частично-вставной блок ВЧ-3 АМЦ1592 в ПФ ВНИТИприбор, г.Пенза; измеритель параметров ВДП-структур в п/я м5222, г.Рига; устройство для измерения параметров МОП-структур, в '.п/я В-8828, г. Москва; измерительно-вычислительный комплекс для определения электрофизических параметров №-структур в п/я В-2438, г.Москва; аппаратура для исследования деградационных свойств мДЛ-структур в составе устрйиства экспресс-контроля параметров ЦЩЬструктур и блока электрических воздействий в п/я Р-6429, г.Москва; автоматизированная система измерения параметров и контроля зарядовой стабильности полупроводниковых структур в филиале Московского Государственного университета им. М.В.Ломоносова в г.Ульяновске. Суммарный экономический эффект ої внедрения части ио рсгрпЗэтанных устройств составляя? njg v№.r?j5,t
-a- ;
что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (г.Пенза, 1986 г.), "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушавщего контроля" (г.Могилев, 1989 г.), "Измерительные информационные системы ЙИС-89" (г.Ульяновск, 1989 г.); на Всесоюзном совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (г.Паланга, 198? г.); на республиканской конференции "Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов и систем" (г.Еитомир, 1985 г.); на зональном семинаре "Контроль и диагностика РЭА и ЕВА" (г.Пенаа, 1988 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, включая 9 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложений, содеряит 147 машинописных страниц основного текста, 69 иллюстраций и 13 таблиц.
