Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к контролю электрофизических параметров и может быть использовано для исследования и контроля параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур и позволяет расширить класс исследуемых структур за счет МДМ и p+-i-n+-структур, емкость которых не зависит от напряжения смещения и от зарядового состояния ловушек, а также повысить чувствительность измерений и упростить схемную реализацию способа. Сущность изобретения состоит в приложении к образцу последовательности импульсов напряжений с амплитудой, меняющейся по линейному закону и с заданной длительностью измерений зависимости электрического параметра от приложенного напряжения и определений параметров структур с использованием полученной зависимости. В качестве электрического параметра измеряют заряд, стекающий с исследуемого образца при отключении приложенного напряжения, после окончания каждого импульса напряжения к моменту времени t измеряют зависимость изменения заряда от изменения амплитуды импульсов, по которой можно определить, например, концентрацию легирующей примеси и величину потенциального барьера на границах раздела. Для учета вклада ловушек можно изменить длительность импульсов и время измерения стекания заряда t 10-6- 102 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2028697
Класс(ы) патента: H01L21/66
Номер заявки: 4934589/25
Дата подачи заявки: 05.05.1991
Дата публикации: 09.02.1995
Заявитель(и): Институт радиотехники и электроники РАН
Автор(ы): Поляков В.И.; Ермакова О.Н.; Ермаков М.Г.; Перов П.И.
Патентообладатель(и): Институт радиотехники и электроники РАН
Описание изобретения: Изобретение относится к контролю электрофизических параметров материалов и может быть использовано для исследования и контроля параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (МДП, МДМ).
Известен способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (в частности, определение профиля легирования высоты потенциального барьера на границе раздела и др.), заключающийся в измерении зависимости дифференциальной емкости структуры СD от внешнего напряжения смещения, приложенного к образцу. В наиболее распространенном на практике варианте способа, прикладываемое к образцу напряжение смещения V медленно меняется в заданном интервале значений, а измерение емкости СD производится с использованием одновременно с V подаваемого на образец переменного синусоидального напряжения U постоянной амплитуды [1].
Недостатком этого способа является невозможность определения параметров (потенциальных барьеров на границе раздела диэлектрик - полупроводник, профиля легирования полупроводниковых материалов) в гетероструктурах с большой плотностью состояний (ловушек), захват носителей на которые приводит к экранированию прикладываемого к структуре напряжения смещения.
Известен способ, позволяющий устранить этот недостаток [2]. Это достигается приложением к образцу напряжения смещения в виде последовательности прямоугольных импульсов с различной амплитудой, меняющейся в заданном диапазоне. Длительность импульсов напряжения смещения V и частоту переменного синусоидального напряжения U, одновременно с V подаваемого на образец, можно выбрать так, что не будет успевать происходить перезарядка состояний в исследуемой структуре, а соответственно, экранирование V. Кроме того, импульсный режим приложения V позволяет исключить или существенно уменьшит экранирование напряжения смещения свободными неосновными носителями заряда.
Недостатком этого способа является его непригодность для определения параметров в большом классе структур, дифференциальная высокочастотная емкость которых СD не зависит как от медленно меняющегося, так и от импульсного напряжения смещения, а также не зависит от зарядового состояния ловушек, например, в гетероструктурах с полупроводниковыми слоями, толщина которых значительно меньше ожидаемой ширины области пространственного заряда, в структурах металл-диэлектрик-металл или в p-i-n-струк- турах.
Целью изобретения является расширение класса исследуемых структур (за счет МДМ и p-i-n-структур, то есть структур, имеющих практически постоянную емкость), а также повышение точности и упрощение схемной реализации измерений.
Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу, включающему приложение к образцу последовательности импульсов напряжения смещения с амплитудой, меняющейся по линейному закону, измерение зависимости электрического параметра от приложенного напряжения смещения и определение параметров структур с использованием полученных зависимостей, в качестве измеряемого электрического параметра выбирают заряд, стекающий с исследуемого образца после отключения приложенного напряжения смещения (то есть в отличие от прототипа не подают на образец одновременно с напряжением смещения V синусоидальное напряжение U, необходимое для измерения дифференциальной емкости), измеряют стекающий заряд Q к задаваемому моменту времени t1 от начала разряда и находят зависимости
ΔQ(Vi)= Qi+1(Vi+1)-Qi(Vi) где Vi - амплитуда импульса напряжения смещения, i = 1,2...n-номер импульса.
Способ позволяет изменять заполнение перезаpяжающихся центров, меняя длительност τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что позволяет получить дополнительную информацию, в частности, о величине сечения захвата перезаряжающихся центров.
Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг. 1.
Устройство состоит из источника напряжения зарядки 1, интегратора на оперативном усилителе 2, аналоговых ячеек памяти 3, 4 блока автоматизации 5, включающего задающий генератор циклов заряд-разряд, формирователь длительности зарядки, логическую схему управления ключами. Общее управление осуществляется с помощью микроЭВМ 6, результаты выводятся на дисплей и/или графопостроитель 7.
Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью операций.
1. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой Vi.
2. Образец переключают от источника напряжения к измерительной схеме (в момент окончания действия импульса).
3. Измеряют величину заряда Qi(Vi), стекшего с образца к заданному моменту времени t1 после переключения.
4. Переключают образец от измерительной схемы к источнику напряжения.
5. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой Vi+1 = =Vi + Δ V (в момент подключения образца).
6. Повторяют операции по п.п. 2, 3, 4, определяя при этом Qi+1(Vi+1).
7. Определяют Δ Q = Vi+1(Vi+1) - Qi(Vi).
8. Повторяют операции по п.п. 1-7, изменяя каждый раз амплитуду импульса на Δ V.
9. Используя измеренные и известные величины, проводят расчет параметров структур (например, методом численного дифференцирования находят концентрацию носителей заряда).
Отличительными особенностями предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются следующие.
Поскольку в отличие от прототипа измеряемым параметром является не емкость, а заряд, то становится возможным проводить измерения на структурах, высокочастотная емкость которых не зависит от напряжения зарядового смещения и от состояния уровней, например, p+-i-n+-структуры (в том числе структуры с квантовыми ямами).
Предлагаемый способ обладает большей информативностью по сравнению с прототипом и в отношении тех структур, исследование которых возможно с помощью прототипа, так как позволяет изменять заполнение перезаряживающихся центров, меняя длительность τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что дает возможность учесть вклад ловушек с различными постоянными времени перезарядки для большого набора структур, представляющих практический интерес.
Зарядовые измерения по сравнению с емкостными во многих случаях дают существенный выигрыш по точности. Например, для МДП-структур, величину измеряемого заряда можно представить в виде.
ΔQi(Vi) = - q A k T ln(t2/t1)Nss(Eo) где Со - емкость диэлектрика,
Csc(t1) - емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника в момент времени t1,
q - заряд электрона,
А - площадь электродов,
k - постоянная Больцмана,
Т - температура,
Nss - плотность поверхностных состояний,
Eo = Ec - kTln [σnUnNc (t2-t1)]/ln(t2/t1),
σn - cечение захвата для электронов,
Vn - их тепловая скорость,
Nc - эффективная плотность состояний в зоне проводимости,
Ес - энергетическое положение дна зоны проводимости.
Величину измеряемого изменения емкости можно записать в виде
ΔCi= - q A k T ln(t2/t1)Nss(Eo) где εs - диэлектрическая проницаемость полупроводника,
w - ширина ОПЗ,
С(t1) = CoCsc(t1)/(Co+Csc(t1))
На фиг. 2 приведены полученные при анализе выражений для Δ Qi и Ci расчетные зависимости минимально определяемой концентрации поверхностных состояний Nss для емкостного (2) и зарядового (1) способов измерений от отношения емкостей диэлектрика Со и области пространственного заряда Csc(t). Видно, что эти способы имеют примерно равную чувствительность при малых величинах отношения Со/Csc(t1), а по мере увеличения этого отношения чувствительность, а соответственно и точность зарядовых измерений становится выше, чем у емкостных. Таким образом, использование зарядовых измерений может дать существенные преимущества, например, при исследовании МДП-структур с тонким диэлектриком, для которых Со/Csc(t1) > 10.
4. В предлагаемом способе измерения проводят с разделением цепи заряда и разряда, например, с помощью электронных ключей, переключающих исследуемый образец от источника напряжения к измерительной схеме. Это исключает ошибки, возникающие при использовании прототипа и связанные с влиянием сквозного тока (тока от прикладываемых напряжений) на результаты измерений. Соответственно, повышается точность определения параметров.
5. Схемная реализация предлагаемого способа проще прототипа, так как здесь не используется генератор высокочастотного сигнала и относительно сложная система его регистрации для нахождения дифференциальной емкости.
Авторам неизвестно техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков предлагаемого способа, которые и обеспечивают достижение новых качеств, отсутствующих в известных решениях.
П р и м е р. Для реализации способа было разработано и изготовлено устройство, схема которого изображена на фиг. 1.
В качестве интегратора 2 (измеритель заряда) была использована микросхема операционного усилителя (КР544УД2А) с емкостной обратной связью (емкость Сос), а для изготовления ключей были выбраны ключевые сборки КР590КН2.
При зарядке образца напряжением Vi ключ К1 замыкался, а К2 размыкался. Образец подключался к источнику напряжения 1. Через промежуток времени, равный длительности зарядки образца τ, ключ К1 размыкался, а К2 (синхронно с К1) замыкался - образец подключался ко входу интегратора 2. В процессе разряда образца на интегратор ключи К3 и К5 поддерживались в разомкнутом состоянии, а К4 был замкнут, и на емкости С1 первой ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени от начала разряда ключ К4 размыкался, а напряжение с емкости С1, пропорциональное стекшему заряду Qi/Vi, через эмиттерный повторитель У1 оставалось поданным на первый вход дифференциального усилителя У3.
Затем ключ К2 размыкался, а К1 замыкался - на образец подавалось напряжение Vi+1. Одновременно при зарядке образца замыкался и размыкался ключ К3, приводя измерительную схему в исходное состояние (нулевое напряжение на входе интегратора 2). После зарядки образца напряжением Vi+1 ключ К1 размыкался, а К2 замыкался. В процессе разряда образца ключи К3 и К4 поддерживались в разомкнутом состоянии, а К5 был замкнут и на емкости С1 второй ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени t1 от начала разряда ключ К5 размыкался, а напряжение с емкости С'1, пропорциональное стекшему заряду Qi+1(Vi+1) через эмиттерный повторитель У2 оставалась поданным на второй вход дифференцирующего усилителя У3. На выходе же У3 (входе блока автоматизации 5) имеем сигнал, пропорциональный искомой величине Δ Q = Qi+1(Vi+1) - Qi(Vi).
Повторяя цикл измерений, управляемый микроЭВМ 6, находим зависимость Δ Q(Vi).
Предлагаемый способ и изготовленная установка были использованы для исследования структуры Ni/a - C:H/Si с толщиной слоя аморфного углерода ≈ 50 50 . Большая плотность поверхностных состояний на границе раздела а-C: H/Si исключала возможность использования для определения изгиба зон в Si на границе с а-С: H прототипа, так как измеренная с его помощью дифференциальная емкость не менялась от напряжения. На фиг. 3 показана зависимость СD(V), измеренная с помощью прототипа, а также найденная с помощью предлагаемого способа зависимость Δ Qi(Vi). Строя зависимость ( Δ V/Δ Qi)2 и экстраполируя линейный участок, по величине отсечки на оси напряжений определяем величину потенциального барьера на границе раздела а-С:H/Si (в данном случае эта величина составляет ≈ 0,4 В, что совпадает с независимо определенной по кинетике фотоотклика величиной). Кроме того, дифференцируя полученную зависимость, можно определить профиль концентрации свободных носителей. Для исследованного образца зависимость в интервале напряжений 0-1 В представляет собой прямую линию, а = const , что свидетельствует о равномерном (однородном) легировании образца. Используя выражение
NД(x) = получаем ND = 4˙1015 см-3.
Формула изобретения: 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР, включающий приложение к образцу последовательности импульсов напряжения смещения с амплитудой, меняющейся по линейному закону и заданной длительности, измерение зависимости электрического параметра от приложенного напряжения и определение параметров структур с использованием полученной зависимости, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых структур за счет МДМ и p+ - i - n+-структур, повышения точности и чувствительности измерений, а также упрощения схемной реализации способа, в качестве электрического параметра измеряют заряд Q, стекающий с образца к моменту времени t при отключении напряжения после прохождения каждого импульса с амплитудой V и длительностью τ , а параметры образца определяют, используя зависимость изменения заряда от изменения амплитуды импульсов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, изменяют длительность t импульсов напряжения и повторяют измерения стекающего заряда.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, выбирают время t измерения стекания заряда от 10-6 до 102 с.