Содержание к диссертации
Введение 4
ГЛАВА 1. Гетерогенность межфазовой границы раздела и её влияние на свойства
структур диэлектрик-полупроводник 8
Граница раздела диэлектрик-полупроводник, поверхностные состояния 8
Методы исследования МДП-структур 12
Неоднородности границы раздела диэлектрик-полупроводник 15
Флуктуации поверхностного потенциала 15
Туннельная модель перезарядки приграничных состояний 16
Влияние неоднородностей на результаты, полученные емкостными методами 17
Эксперименты по применению метода нормированной проводимости для исследования свойств МДП-структур 19
МДП-транзистор 22
Влияние флуктуации поверхностного потенциала на работу МДП-транзистора 24
Методы исследования МДП-транзисторов 25
Основные экспериментальные результаты, полученные при помощи методов подпороговых харатеристик и зарядовой накачки 28
1.6 Автоматизация научного эксперимента 32
Основные приборные интерфейсы, используемые для автоматизации эксперимента.ЗЗ
Современные автоматизированные системы 35
1.7 Задачи работы 36
ГЛАВА 2. Экспериментальные методики и программное обеспечение для исследования
электрофизических характеристик гетерогенных МДП-приборов 38
2.1 Измерение кривых нормированной проводимости 38
Метод кривых нормированной проводимости 38
Экспериментальная установка для измерения кривых нормированной проводимости. 42
Программное обеспечение для измерений C-V и G-V зависимостей МДП-структур.44
2.2 Измерение подпороговых В АХ и кривых зарядовой накачки МДП-транзисторов 47
ВАХ транзистора 47
Метод подпороговых ВАХ 50
Метод зарядовой накачки 51
Автоматизированная установка для исследования МДП-транзисторов 56
Многофункциональная интерфейсная плата 58
Программное обеспечение для проведения измерений подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки 64
Программное обеспечение для расчёта параметров МДП-транзисторов методами подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки 67
Исследуемые образцы 68
Выводы по Главе 2 70
ГЛАВА 3. Моделирование электронных процессов на межфазовой границе раздела с
учетом гетерогенности 72
3.1 Модели неоднородной границы раздела диэлектрик-полупроводник 72
Модель флуктуации поверхностного потенциала 72
Модель заглубления электронных состояний в диэлектрик 75
Влияние неоднородностей границы раздела на кривые нормированной проводимости. 77
Модификация метода нормированной проводимости для разделения пространственно неоднородного распределения ПС и флуктуации поверхностного потенциала 80
3.2 Модели для описания неоднородного транзистора 94
3.2.1 Моделирование подпороговых характеристик неоднородного транзистора 94
3.2.2 Моделирование кривых зарядовой накачки неоднородного транзистора 96
3.3 Выводы по Главе 3 100
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование электрофизических характеристик МДП-
приборов 102
4.1 Исследования транзисторов методами подпороговых ВАХ и зарядовой накачки.... 102
Тестовые измерения 102
Исследование влияния лавинной инжекции 103
Исследование крупномасштабного зарядового дефекта 105
Исследование влияния рентгеновского и ультрафиолетового облучения 107
Исследование МДП-структур и транзисторов, реализованных на пластине 109
Исследования МДП-структур методом нормированной проводимости 111
Выводы по Главе 4 114
Заключение 116
Список цитируемой литературы 120
Введение к работе
Подавляющее большинство современных микроэлектронных устройств содержат в себе структуры, использующие свойства контакта диэлектрик-полупроводник. Зависимость характеристик полупроводниковых приборов от электронных процессов на границе раздела является основной причиной появления нестабильности в их работе и необратимых изменений их параметров приводящих к полевой деградации и преждевременному выходу приборов из строя. В связи с этим изучение характеристик границы раздела диэлектрик-полупроводник (характера и распределения дефектов в окисле и на поверхности полупроводника) является актуальной научно-практической задачей.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что предложена методика, учитывающая различные механизмы влияния неоднородностей на характеристики структур металл-диэлектрик-полупроводник. В настоящее время отсутствуют исчерпывающие модели границы раздела диэлектрик-полупроводник. Создание таких моделей в теоретическом плане даёт возможность дальнейшего развития представлений об электрофизических процессах, протекающих на границе, а в практическом плане позволяет существенным образом улучшить параметры приборов, созданных на базе таких структур.
Цель настоящей работы заключается в создании модели, наиболее полно отражающей влияние гетерогенности МФГ, созданной как вследствие различных технологических процессов, так и в результате внешних воздействий на электрофизические свойства ДП структур.
В соответствии с целью работы нами были поставлены следующие задачи:
Создать автоматизированную установку для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик.
Разработать методику и создать программное обеспечение для расчёта кривых нормированной проводимости и определения параметров неоднородности границы раздела в МДП-структурах.
Создать автоматизированную установку для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки МДП-транзисторов.
Разработать методики для разделения влияния ПС и неоднородности границы раздела диэлектрик-полупроводник на характеристики МДП-транзисторов.
Провести апробацию и верификацию моделей электронных процессов, учитывающих гетерогенность границы раздела полупроводник-диэлектрик.
Провести исследование влияния различных электрофизических воздействий на формирование ПС и флуктуации поверхностного потенциала на границе раздела диэлектрик-полупроводник.
Научная новизна работы состоит в том, что:
Предложена методика корректного определения плотности поверхностных состояний при наличии пространственно неоднородного их распределения и дисперсии поверхностного потенциала на границе раздела полупроводник-диэлектрик с использованием метода нормированной проводимости.
Исследовано влияние различных режимов анодного окисления кремния на величину дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний на границе раздела в структурах металл-диэлектрик-полупроводник.
Предложена методика определения значения дисперсии поверхностного потенциала и плотности поверхностных состояний в транзисторных структурах методами подпороговых вольтамперных характеристик и зарядовой накачки.
Предложена методика определения параметров крупномасштабного зарядового дефекта по виду кривой тока зарядовой накачки. Под таким дефектом понимается участок подзатворной области, в котором величина встроенного в окисел заряда значительно отличается от средней. Методика позволяет определить площадь деградированного участка и величину встроенного заряда.
Обнаружено, что лавинная инжекция горячих носителей заряда приводит к образованию крупномасштабного зарядового дефекта, причём изменение
свойств границы раздела происходит не сразу, а спустя некоторое время после воздействия. Облучение рентгеновским и УФ-излучением приводит к практически мгновенному возникновению дефектов поверхности. Наличие внешнего электрического поля в процессе облучения приводит к тому, что дефекты оказываются метастабильными и наблюдается частичная релаксация структуры с течением времени к исходному состоянию.
В результате проведённых исследований были получены новые научные результаты, которые подтвердили актуальность темы и позволили сформулировать основные защищаемые положения:
Для определения плотности поверхностных состояний и величины дисперсии поверхностного потенциала предлагается воспользоваться методом операторных изображений. Для проверки корректности разделения предложено использовать следующие параметры кривой нормированной проводимости: положение точек максимумом и перегиба и максимальное значение производной. Данная методика чувствительна к изменению условий приготовления МДП-структур и позволяет определить плотность ПС и величину дисперсии поверхностного потенциала с точностью ~ 5%.
Предложена методика определения величины заряда и площади участка крупномасштабного зарядового дефекта, основанная на анализе кривой зарядовой накачки. Присутствие крупномасштабного зарядового дефекта, локализованного в окисле проявляется на кривой зарядовой накачки как наличие двух четко различимых плато.
При воздействии лавинной инжекцией возникает крупномасштабная область зарядовой нестабильности с характерным временем релаксации ~ 105с.
Практическая ценность работы состоит в следующем: 1. Разработана и создана автоматизированная установка для измерения вольт-фарадных и вольт-сименсных характеристик структур металл-диэлектрик-полупроводник.
Разработано программное обеспечение для обработки кривых нормированной проводимости и определения глубины залегания электронных состояний в диэлектрике и величины дисперсии поверхностного потенциала на основе анализа характерных точек кривой и метода преобразования Фурье.
Разработана и создана автоматизированная установка для измерения подпороговых характеристик и кривых зарядовой накачки.
Разработано программное обеспечение для расчета параметров неоднородности границы раздела при помощи метода зарядовой накачки.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на всероссийской конференции «Физика полупроводников и полуметаллов», (г. Санкт-Петербург, 4-6 февраля 2002 г.); на V всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлек-тронике, (г. СПб, 2-5 декабря 2003); на VII международной конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 14-18 октября 2003); на VIII международной конференции «Физика в системе современного образования», (г. СПб, 29 мая - 3 июня 2005); на XI всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, (г. Екатеринбург, 24-31 марта 2005 г.); на конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Демидовские чтения), (г. Москва, 25-28 февраля 2006 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, включая 2 статьи и 8 тезисов докладов.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 119 страницах, проиллюстрирована 75 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
