3.2 Электрические методы исследований заряда в оксиде и плотности поверхностных состояний

Существуют различные электрические методы исследований заряда в оксиде и плотности поверхностных состояний в структурах Si/SiO₂. Наиболее распространенными из них являются методы, основанные на измерении ВФХ, подпороговых вольт-амперных характеристик (ВАХ), надпороговых ВАХ, а также метод накачки заряда. Как правило, исследования проводятся на тестовых структурах представляющих собой МОП-конденсаторы или МОП-транзисторы. Также исследования могут проводиться на отдельных транзисторах и конденсаторах, входящих в состав ИС, если данные элементы возможно «выделить» путем соответствующей коммутации выводов ИС (обычно эта возможность имеется в случае относительно простых ИС, таких как простейшая логика).

3.2.1 Метод вфх

Данный метод обычно реализуется применительно к МОП-конденсаторам. При этом могут измеряться как низкочастотные, так и высокочастотные ВФХ. На рис. 3.6 показан типичный вид высокочастотных ВФХ, измеренных до и после радиационного облучения [13]. Исследовался конденсатор с подложкой n-типа проводимости и толщиной диэлектрика 48 нм. Измерения проводились до облучения и спустя 2,2 с после облучения дозой 1 Мрад(Si). ВФХ измерялись на синусоидальном сигнале с частотой 1 МГц, наложенном на линейный сигнал с наклоном 10 В/с. На этих кривых обозначены емкости плоских зон (C_fb), середины зоны (C_mg) и инверсии (C_inv). Эти точки определяются для величины поверхностного потенциала, равной 0 В, _B и 2_B соответственно, где _B — объемный потенциал, равный

, (3.7)

где q — заряд электрона; k — константа Больцмана; Т — абсолютная температура; N_D и n_i — концентрация легирующей примеси и собственная концентрация в подложке соответственно.

В предположении, что вблизи середины запрещенной зоны поверхностные ловушки приблизительно зарядово-нейтральны [8, 13, 15–17], сдвиг напряжения середины зоны на ВФХ в результате облучения равен сдвигу порогового напряжения V_ot, обусловленному зарядом, встроенном в оксиде. Таким образом, измерения ВФХ позволяют определить в чистом виде величину накопленного в оксиде заряда. Количество ПС можно оценить из наклона ВФХ. Например, число поверхностных ловушек до и после облучения в интервале между точками плоских зон и середины зоны можно определить из разности напряжений плоских зон и середины зоны. Аналогично, число поверхностных ловушек до и после облучения в интервале от середины зоны до инверсии можно определить из разности напряжений середины зоны и инверсии. Если обозначить сдвиг порогового напряжения, обусловленный ПС, как V_it, то число поверхностных ловушек D_it будет определяться выражением

, (3.8)

где C₀ — удельная емкость оксида (емкость на единицу площади).

Рис. 3.6. Типичные ВФХ, измеренные на МОП-конденсаторах с n-подложкой до облучения и спустя 2,2 с после воздействия импульса ионизирующего излучения дозой 1 Мрад(Si) [13]

Для ВФХ, измеренных на n-подложке как показано на рис. 3.6, изменение наклона в диапазоне от середины зоны до инверсии дает число радиационно-индуцированных ПС в нижней части запрещенной зоны кремния, соответствующее числу ПС вблизи порога для p-канального транзистора. Соответственно, для ВФХ, измеренных на р-подложке, изменение наклона в диапазоне от середины зоны до инверсии определяет число радиационно-индуцированных ПС в верхней части запрещенной зоны кремния, соответствующее числу ПС вблизи порога для n-канального транзистора. Сдвиг напряжения плоских зон содержит в себе вклады зарядов как на поверхностных ловушках, так и в оксиде. Однако в пределах короткого времени после импульса радиации встраивание поверхностных ловушек может быть незначительным, и поэтому часто напряжение плоских зон определяется количеством дырок в оксиде: как переносимых через оксид, так и захваченных дефектами вблизи границы Si/SiO₂. При напряжении плоских зон постоянная времени мала, что делает возможными высокоскоростные измерения ВФХ вблизи напряжения плоских зон. Таким образом, измерения сдвига напряжения плоских зон является хорошим методом исследования переноса дырок и эффектов их захвата в пределах малого времени после воздействия радиационного импульса.

Описанный выше подход позволяет проводить быстрые оценки интегральных значений заряда диэлектрика и плотности ПС. Однако с помощью метода ВФХ можно также исследовать энергетическое распределение плотности ПС по запрещенной зоне кремния. Плотность ПС при этом вычисляется по формуле [18]

, (3.9)

где C₀ = _ox₀/t_ox — удельная емкость диэлектрика (оксида); _ox — относительная диэлектрическая проницаемость оксида; ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума; t_ox — толщина оксида; _s — поверхностный потенциал; V_g — напряжение на затворе; C_D(_s) — удельная дифференциальная емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, определяемая поверхностным потенциалом.

Алгоритм расчета следующий. Для каждого измеренного значения емкости МОП-конденсатора, зная величину С₀, можно определить значение C_D, а из него — величину поверхностного потенциала _s (связьмежду C_D и _s известна из курса физики полупроводниковых приборов, см., например, [18]). Таким образом, получается зависимость _s(V_g). Далее путем численного дифференцирования для каждого значения _s находится производная, стоящая в (3.9), после чего вычисляется значение D_it(_s). Полученная зависимость D_it(_s) по сути дела представляет собой искомое распределение ПС по запрещенной зоне кремния (нужно перейти от величины поверхностно потенциала к положению уровня Ферми на поверхности кремния).