Исследование вольт-фарадных характеристик многослойных структур на кремниевой подложке

1

МИНЕСТЕРСТВО ОРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

ОТЧЁТ

о курсовой работе

«Исследование Вольт-фарадных характеристик многослойных структур на кремниевой подложке»

Практикум по электричеству и магнетизму

Давидюк Игорь Викторович

Преподаватель А.Г. Костюрина

Научный руководитель М.Д. Ефремов

Новосибирск, 2010 г.

Аннотация

В данной работе проводятся измерения вольт-фарадных характеристик некоторых многослойных структур Металл - Диэлектрик - Полупроводник (МДП) на оборудовании Научно Образовательного Комплекса НГУ с целью исследования поведения ёмкостей данных структур.

Введение

В Лаборатории Электрофизических Измерений Научно-образовательного комплекса НГУ проводятся измерения слаботочных и сильноточных микро- и наноструктур, характеризация полупроводниковых приборов и тестовых элементов. Разработка методологии электрофизических измерений. Эти исследования актуальны во многих областях, в том числе в изготовлении активноматричных и сенсорных панелей и силовой электроники.

Рис. 1. Лаборатория.

Одним из наиболее распространенных методов изучения свойств структур металл - диэлектрик - полупроводник является метод, основанный на анализе зависимости емкости МДП-структуры C_МДП от напряжения на затворе V_G, так называемый метод вольт-фарадных характеристик (ВФХ) или C-V метод.

1. Объект исследования

Классическая МДП - структура.

Структуры металл - диэлектрик - полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура. Итак, МДП-структура, приведенная на рисунке 2, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рис.2. Устройство МДП структуры: 1 - затвор, 2 - подзатворный диэлектрик, 3 - полупроводниковая подложка, 4 - омический контакт

Мысленно поместим полупроводник в однородное электрическое поле E = 10⁶?10⁷ В/см. В экранировке электрического поля в полупроводнике или любом другом твердом теле должны принять участие 10¹²?10¹³ свободных или фиксированных зарядов на единицу площади. В металлах, где концентрация свободных электронов в единице объема n ? 10²² см^-3, такое количество свободных носителей соответствует их перераспределению на величину порядка межатомных расстояний, и, следовательно, электрическое поле вглубь металлов не проникает. В диэлектриках, где концентрация свободных носителей меньше 10⁵ см^-3, электрическое поле не экранируется (кроме как поляризационными процессами) и проникает на любое расстояние вглубь диэлектрика. В полупроводниках ситуация промежуточная. Например, для экранировки электрического поля от отрицательного заряда плотностью N_M = 10¹¹ см^-2 на металлическом электроде в электронном полупроводнике требуется слой ионизованных доноров шириной =. Для экранировки поля от положительного заряда необходимо подтянуть электроны из объема полупроводника. При этом характерная глубина проникновения электрического поля также составляет десятки и сотни ангстрем.

Следовательно, из-за малой концентрации свободных носителей заряда в объеме полупроводника возможно проникновение электрического поля вглубь полупроводника на большие, по сравнению с межатомными, расстояния. Проникшее электрическое поле перераспределяет свободные носители заряда. Это явление получило название эффекта поля. Таким образом, эффект поля - это изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поскольку заряд свободных носителей или ионизованных доноров пространственно распределен в приповерхностной области полупроводника и эта область не является электронейтральной, она получила название область пространственного заряда (ОПЗ).

В зависимости от направления и величины внешнего электрического поля, типа полупроводниковой подложки различают 4 различных состояния поверхности полупроводника: обогащение, обеднение, слабая инверсия и сильная инверсия. Все эти ситуации отражены на рисунке 3 для полупроводника n-типа.

Рис. 3. Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника n-типа при различных состояниях поверхности: а) обогащение; б) обеднение; в) слабая инверсия; г) сильная инверсия

Все приложенное напряжение V_G к МДП-структуре делится между диэлектриком и полупроводником, причем очевидно, что падение напряжения в полупроводнике равняется поверхностному потенциалу ?_s.

Из условия электронейтральности следует, что заряд на металлическом электроде Q_M должен быть равен суммарному заряду в ОПЗ Q_sc, заряду поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик Q_ss и встроенному заряду в диэлектрик вблизи границы раздела Q_ox.

Емкость диэлектрика- ,

Отсюда падение напряжения на диэлектрике- .

Учитывая, что между металлом и полупроводником существует разность термодинамических работ выхода ??_ms, получаем:

Согласно определению емкости , зная и

Получаем

Теперь используя выражения для заряда ОПЗ и зависимости напряжения на полупроводнике от напряжения на затворе можем получить выражение:

Это соотношение позволяет нам построить эквивалентную схему МДП-структуры, представив ее как последовательно соединенную емкость диэлектрика C_ox с параллельной цепочкой емкости ОПЗ C_sc и поверхностных состояний C_ss.

Рис. 4. Простейшая эквивалентная схема МДП структуры

При экспериментальном измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур важное значение имеет частота измерительного сигнала ?. Это связано с тем, что процессы захвата и выброса на поверхностные состояния, а также изменения заряда свободных носителей в инверсионном слое, характеризующие соответствующие емкости Css и Csc, имеют конечные времена ?, сравнимые с периодом обычно используемого в эксперименте сигнала. Напомним, что изменение заряда Qn в инверсионном слое характеризуется генерационно-рекомбинационным процессом и определяется временем жизни неосновных носителей ? в ОПЗ. Характерное время захвата и выброса на поверхностные состояния определяется постоянной времени ? этих состояний.

На рисунке 5 приведены равновесные C-V кривые идеальных МДП-структур с разной толщиной диэлектрика, рассчитанные теоретически.

Рис. 5. Равновесные C-V характеристики идеальных МДП-структур на кремнии p-типа с различной толщиной подзатворного диэлектрика

Описание зависимости емкости от напряжения мы начнем рассматривая левую часть кривой. (приложенное напряжение отрицательно)., где происходит аккумуляция дырок и соответственно наблюдается высокая емкость полупроводника. В итоге полная емкость определяется емкостью изолятора. При убывании отрицательного смещения вблизи поверхности образуется обедненная область, действующая как диэлектрик, включенный последовательно с изолятором, полная емкость при этом уменьшается. Далее емкость проходит через минимум и может снова начать возрастать, в зависимости от способности электронов следовать за изменениями приложенного переменного сигнала. Это возможно только при низких частотах (5-100 Гц), когда скорость генерации- рекомбинации неосновных носителей (в нашем случае электронов) достаточна для изменения заряда в инверсионном слое.

Многослойная МДП-структура.

Рис.6. Многослойная структура Si(6нм)/SIO₂(10нм)(слева).

Рассмотрим зонную диаграмму для многослойных структур на примере двухслойной и поймем их отличие от классических.

Рис.7. Многослойная структура без напряжения на затворе.

Рис.8. Многослойная структура с малым напряжением на затворе.

На рисунке 8 видно, что при малых напряжениях слой полупроводника между диэлектриками не заряжен и все пространство d структуры работает как диэлектрик.

Рис.9. Многослойная структура с большим напряжением на затворе

При увеличении напряжения вероятность туннелирования электронов из внешнего полупроводника через слой диэлектрика повышается, слой между диэлектриками заряжается и емкость структуры теперь определяется емкостью лишь одного слоя диэлектрика. В результате емкость структуры увеличивается. В следствии этого мы имеем, что емкость структуры зависит от глубины проникновения носителей заряда в многослойную структуру.

2. Описание установки

В эксперименте использовался прибор Agilent E4980A.

Четырехпроводной метод измерения

Схема измерения, показанная на рис. 10., позволяет исключить влияние паразитных индуктивностей, интерференции сигналов и других остаточных эффектов на измерение, особенно существенное на высоких частотах. Благодаря виртуальному заземлению потенциальных выводов, по внешним экранам кабелей протекает ток равный току по внутреннему проводу и противоположно направленный, в результате исчезает магнитное поле снаружи провода и взаимная индуктивность проводов. Естественно, подводящие к образцу провода (нескомпенсированная часть должны быть как можно короче, как и длина кабелей).

Рис.10. Схема четырехпроводного метода измерения.

DUT (device under test) -измеряемый импеданс.

3. Экспериментальная часть

3. Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников М.:Наука,1990