Введение к работе
Актуальность темы, Полупроводниковые приборы с выпрямляющим контактом металл-полупроводник (барьером Іїїоттки) широко применяются в быстродействующей электронике. Повышение рабочих частот требует уменьшения барьерной емкости, в связи с чем для современных диодов (ДБШ) и полевых транзисторов (ПТШ) на основе арсенида галлия (GaAs) используются барьерные электроды с размерами от единиц до нескольких десятых мкм. Переход к субмикронным топологическим размерам влечет за собой использование активных слоев толщиной в сотни нм, причем широко применяются многослойные эпитаксиальные структуры со ступенчатыми профилями легирования, в которых масштабы пространственных неоднородностей становятся сопоставимыми с дебаевской длиной экранирования XD.
Для анализа влияния конструктивных изменений и параметров
технологического процесса на характеристики приборов, верификации
прямых математических моделей и решения задач синтеза приборных
микроструктур требуется развитие метрологических методов,
позволяющих с достаточной точностью определять субмикронные
топологические размеры и параметры тонких, неоднородно
легированных активных слоев. При этом в ряде случаев необходимы
неразрушающие методы исследования. Здесь одно из перспективных
направлений связано с использованием тех или иных приборных
характеристик для определения параметров приборной
микроструктуры. Для таких обратных задач, где по внешним проявлениям производится структурная и параметрическая реконструкция исследуемого объекта, характерна инверсия причинно-следственных связей, что в общем случае приводит к их математической некорректности.
Емкостные методы исследования параметров полупроводниковых микроструктур, основанные на обработке низкочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ), сочетают неразрушающий характер, относительную простоту экспериментальной реализации и хорошо поддаются автоматизации. Они применяются для отыскания параметров эквивалентной схемы диодов и транзисторов, определения профилей легирования (так называемое C-V профилирование), исследования свойств контактов металл-полупроводник и гетеропереходов,
определения концентрации и параметров глубоких уровней и др. Однако, в ряде случаев (C-V профилирование ступенчато легированных структур, анализ емкостных характеристик субмикронных GaAs ПТШ и др.) возможности их использования в классических вариантах ограничены. В то же время, предложенные в последние годы варианты ,C-V профилирования, основанные на методах обратного математического моделирования и пригодные для анализа структур с резко неоднородными профилями легирования, носят формализованный характер и требуют больших затрат вычислительных ресурсов. Это обусловлено использованием в них процедур многомерной оптимизации и квазистатического метода численного моделирования ВФХ, который неадекватен стандартной физической реализации емкостных измерений и порождает принципиальные вычислительные трудности. Что касается развития методов исследования емкостных свойств субмикронных GaAs ПТШ, то здесь в основном используются СВЧ измерения, а подходы, основанные на анализе низкочастотных ВФХ, опираются на весьма упрощенные модельные представления.
Таким образом, в области разработки неразрушающих методов исследования параметров арсенидгаллиевых микроструктур с барьером Шоттки, основанных на низкочастотных емкостных измерениях, существует ряд актуальных проблем.
Цель работы состояла в создании методов обработки низкочастотных вольт-фарадных характеристик арсенидгаллиевых микроструктур с барьером Шоттки, позволяющих определять ряд их важнейших параметров. При этом решались следующие задачи:
-
Разработка модели для описания емкостных свойств неоднородно легированных полупроводниковых структур с барьером Шоттки и основанной на ней эффективной методики численного моделирования.
-
Исследование принципиальных возможностей и ограничений C-V профилирования для случая ступенчато легированных структур.
3- Разработка емкостных методов определения ступенчатых профилей легирования с субдебаевским пространственным разрешением.
4. Разработка метода определения длины затвора и составляющих затворной емкости для субмикронных GaAs ПТШ.
В работе получены следующие научные результаты:
-
Разработана модель барьерной емкости полупроводниковых структур с барьером Шоттки, основанная на анализе пространственного распределения модулируемого заряда. Модель позволяет получать соответствующие уравнения для расчета емкости и ее производных по напряжению интегральным методом.
-
Предложена система нормировки, связанная с плазменными параметрами полупроводника, которая обеспечивает наглядную форму представления результатов и оптимальные значения коэффициентов уравнений при их численном решении.
3- Проведено рассмотрение принципиальных возможностей и ограничений C-V профилирования применительно к ступенчато легированным структурам.
-
В явном виде установлена связь между реальным и "кажущимся" профилями легирования.
-
На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований низкочастотных емкостных свойств субмикронных GaAs ПТШ предложен метод, позволяющий экспериментально определять отдельные составляющие затворной емкости и длину затворного электрода.
Практическая ценность .
-
Предложен метод численного моделирования ВФХ и классической процедуры C-V профилирования, устраняющий необходимость численного дифференцирования и обеспечиваюппій снижение вычислительных затрат в 3-5 раз (для одномерной задачи) при сохранении заданной точности. Метод пригоден для реализации на персональной ЭВМ.
-
Установлено, что дифференцирование зависимости "кажущегося" профиля от напряжения позволяет с субдебаевским пространственным разрешением определить положение границ слоев. На этой основе разработан эффективный метод определения ступенчатых профилей легирования GaAs микроструктур.
-
Разработан неразрушающий метод определения длины затвора и составляющих затворной емкости GaAs ПТШ, основанный на измерениях низкочастотной ВФХ затворного и тестового ДБШ. Он обеспечивает оперативное измерение длин затворов до 0,3 мкм при
расхождении с результатами РЭМ не более 20% и пригоден для субмикронных GaAs ПТШ и гетероструктурных полевых транзисторов.
4. Разработанные методы за последние 4 года успешно
использованы в 2-х научно-исследовательских и 4-х опытно-
конструкторских работах, проводимых в АОЗТ "Светлана-
Электронприбор" и АОЗТ "Ольвия" и направленных на создание новых
типов СВЧ диодов и полевых транзисторов, что подтверждается
соответствующими актами о внедрении.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
При емкостных измерениях модулируемый заряд преимущественно локализован в пределах пространственной области плюс-минус три среднеквадратических отклонения от своего среднего положения, При постоянстве профиля легирования в пределах указанной области применимо классическое C-V профилирование.
-
В приближении взаимно однозначного соответствия множеств координат реального профиля легирования и координат положений максимумов пространственного распределения модулируемого заряда, "кажущийся" профиль легирования представляет собой отображение реального профиля в пространство координат, задаваемое вольт-фарадной характеристикой.
3- Для определения длины затвора и отдельных составляющих затворной емкости с точностью не хуже 20% достаточно измерений вольт-фарадных характеристик затворного и тестового диодов с барьером Шоттки.
Апробация работы. Полученные результаты использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах АОЗТ "Светлана-Электронприбор" и АОЗТ "Ольвия", проводимых при участии кафедры радиотехнической электроники СПбГЭТУ и лаборатории квантоворазмерных гетероструктур ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, что подтверждается соответствующими актами о внедрении, а также в рамках конкурсов грантов Госкомвуза РФ по фундаментальным исследованиям в области радиоэлектроники и радиотехники. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ (г.Киев, 1990 г.), семинаре "Перспективные элементы СВЧ" (гЛенинград, 1991 г.), 3-ем и 5-ом международном семинарах "Моделирование приборов и технологий" (г.Обнинск, 1994 и 1996 гг.),
международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург, 1996), международной конференции Advansed semiconductor devices and microsystems (Smolenice, Slovakia, 1996), а также ежегодных научно-техническшс конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (1993-1997).
Публгшсадшг. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ, в том числе 1 работа опубликована в журнале "Микроэлектроника", 1 работа в журнале "Solid State Electronics", 3 работы в "Известиях ГЭТУ" и б работ в трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 146 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка и 13 таблиц.
