POMIAR CZASU ŻYCIA NOŚNIKÓW MNIEJSZOŚCIOWYCH W KRZEMOWYCH WARSTWACH EPITAKSJALNYCH ZA POMOCĄ SONDY RTĘCIOWEJ

Transkrypt

1 PL ISSN MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T nr 1 POMIAR CZASU ŻYCIA NOŚNIKÓW MNIEJSZOŚCIOWYCH W KRZEMOWYCH WARSTWACH EPITAKSJALNYCH ZA POMOCĄ SONDY RTĘCIOWEJ *^Andrzcj Brzzwski, Jerzy Sarnecki w pracy przedstawin mżliwść zastswania kntaktu rtęciweg przy kreślaniu generacyjneg czasu życia nśników mniejszściwych w warstwach epitaksjalnych typu n i p. WPROWADZENIE Prcesy generacji i rekmbinacji nśników mają decydujący wpływ na własnści półprzewdnika. Jedną z wielkści bezpśredni związanycti z prcesami generacji i kreślającycli te prcesy jest generacyjny czas życia nśników mniejszściwycłi Xg. Wartść czasu życia Xg zależy d kncentracji zanieczyszczeń i gęstści defektów sieci krystalicznej półprzewdnika, a więc pmiar Xg jest użyteczną metdą ceny zarówn jakści półprzewdnika, jak i przyrządu półprzewdnikweg. Najczęściej pmiar Xg materiału półprzewdnikweg jest przeprwadzany pśredni - przez badanie własnści struktur półprzewdnikwycłi, np. charakterystyk nierównwagwycłi kndensatra MOS. Przy pmiaracłi tg w krzemwycłi warstwach epitaksjalnych zastswana zstała snda rtęciwa umżliwiająca szybkie ufrmwanie kntaktów rtęciwych zamiast napylanych kntaktów metalicznych, c znakmicie skrócił cykl wytwarzania struktury MOS na utleninej pwierzchni płytki krzemwej z warstwą epitakjsalną. **INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH, ul, Wólczyńska 133, Warszawa

2 Pmiar czasu życia... Otrzymane wyniki pmiarów i rzrzuty wartści Tg w krzemwych warstwach epitaksjalnych są zbliżne d wyników uzyskanych dla warstw pdbnych parametrach z pmiarów typwych kndensatrów MOS. STOSOWANA APARATURA D pmiarów czasu życia użyt zestawu pmiarweg CSM/16 prdukcji Materials Develpment Crpratin (USA). Zestaw ten (mdel CSM/16) składa Cfb-71.6iapF KntaKi mwy a) Pdwćiny kntakt rtęciwy Cfb/C« b) Pledynciy kntakt rtęciwy Rys. 1 Dwa rdzaje kntaktów rtęciwych trzymywanych przy pmcy sndy rtęciwej. O QSS-2.405E11 lns/cm* Napięcie tv] Rys. 2 Charakterystyka C(V) raz wyznaczne parametry struktury MOS (warstwa typu p, pjedynczy kntakt rtęciwy). się z miernika pjemnści Bntn 72 współpracująceg ze sterwanym cyfrw źródłem napięcia i systemem mikrkmputerwym RM-1600 raz z sndą rtęciwą (mdel 811). Snda ta umżliwia realizację pjedynczeg kntaktu rtęciweg d strny tlenku raz kntaktu mweg d strny tylnej płytki lub pdwójneg kntaktu rtęciweg (xl strny tlenku, jak przedstawia rys. 1. W pierwszym przypadku twrzy się struktura MOS będąca dpwiednikiem typweg kndensatra MOS - rys. Ib, natmiast w drugim przypadku kndensatr MOS pwstaje przy knfiguracji kntaktów rtęciwych zbrazwanej na rys. 1 a. Zestaw umżliwia pmiar czasu życia nśników w półprzewdniku w zakresie d 0,1 j.s d 5ms, z pwtarzalnścią ± 10%. Oprgramwanie systemu CSM/16 umżliwia przeprwadzenie pmiarów pjemnści struktury MOS w funkcji napięcia i czasu, rejestrację i analizę danych pmiarwych raz prezentację 10

3 A. Brzzwski, J. Sarnecki wyników w pstaci krzywych C(V) i C(t). Przetwrzenie wyników pmiarów C(V) daje infrmację parametrach struktury MOS takich jak: Cx - pjemnść tlenku. Cmin.- pjemnść w inwersji. Vfb - napięcie płaskich pasm w półprzewdniicu. Cfb - pjemnść w stanie wyprstwania pasm. Vt - napięcie prgwe. Qss - gęstść ładunku stałeg stanów pwierzchniwych. C«.ł:e 9epF Cmin/Cmax Araa = 4. 6 i 5 E - 3 cm' Nsub.5.341E14cm' Cfb-a7 3ieF CIb/Cx VI6(0) V V1--Ź.313V QSS-2.637E11 ins/cm* C x pf Cmln/Cniix-0.16 Are«=3.872E-3cm' Nsub-1.767E14cm C ( b I1F O l s I n a / c i r ' Cfb/Cx-0.S3g Vfb(0) V Vt V 0.5 Rys. 3 Charakterystyka C(V) raz wyznaczne parametry struktury MOS (warstwa typu n, pjedynczy kntakt rtęciwy). Napijcie[V] ^ Rys. 4 Charakterystyka C(V) raz wyznaczne parametry struktury MOS (warstwa typu p, pdwójny kntakt rtęciwy). Analiza zmian pjemnści struktury MOS w czasie pzwala na wyznaczenie generacyjneg czasu życia nśników mniejszściwych Tg i szybkści generacji pwierzchniwej Sg raz na przedstawienie prfilu czasów życia w funkcji szerkści bszaru zubżneg. Generacyjny czas życia nśników mniejszściwych i szybkść generacji pwierzchniwej wyznaczn przy użyciu prcedury bliczeniwej wykrzystującej metdę Zerbsta [1]. Przy kreślaniu rzkładu wartści czasu życia w głąb warstwy epitaksjalnej stswan metdę zaprpnwaną przez Heimana [2]. 11

4 Pmiar czasu życia... c E Nr Pliryzic)iIV] tlt^sl -S > B -5 >30 > Nr Pliryuc i[v] lalftl >16 > B >80 13( 137. i Czas [s] 400 CzasisJ B 300 Rys. 5 Charakterystyki C(t) struktury MOS w zależnści d spsbu plaryzacji struktury (warstwa typu p, pjedynczy kntakt rtęciwy) A- przeplaryzwanie d akumulacji d głębkieg zubżenia, B - przeplaryzwanie d inwersji d głębkieg zubżenia. <0 Nr Plaryzacja [VJ T.itisl 1-5 > > > > c E a> 0. Nr Plaryzacja [VI T.tus] 1-5 > > Czastsl 300 Czas[s] 600 Rys. 6 Cłiarakterystyki C(t) struktury MOS w zależns'ci d wielkści skku napięcia (warstwa typu p) A - pdwójny kntakt rtęciwy. Rezystywnść warstwy kł 10 hmcm linia ciągła - plaryzacja d akumulacji d głębkieg zubżenia linia przerywana - plaryzacja d inwersji d głębkieg zubżenia B - pjedynczy kntakt rtęciwy. Rezystywnść warstwy kł 100 hmcm linia ciągła - pjedynczy kntakt rtęciwy linia przerywana - pdwójny kntakt rtęciwy 12

5 A. Brzzwski, J. Sarnecki PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO POMIARU Płytki krzemwe z warstwą epitaksjalną typu n/n"^ i p/p"*" rezysty wnści pdłża p» 0.01 Qcm i kncentracji nśników większściwych w warstwie epitaksjalnej w zakresie (2-5) * lo^^^cm"^ pddan prcesm termiczneg utleniania. Grubści tlenków zstały zmierzne za pmcą elipsmetru f-my Applied Materials i mieściły się w zaki-esie A. W prcesie utleniania trzyman płytki krzemwe utlenine dwustrnnie. W związku z tym, w celu trzymania dbreg kntaktu mweg, strawin w HF tlenek z tylnej strny płytki. POMIARY CHARAKTERYSTYK C(V) DLA STRUKTUR MOS OTRZYMANYCH ZA POMOCĄ SONDY RTĘCIOWEJ Przykładwe charakterystyki C(V) dla struktur MOS trzymane za pmcą sndy rtęciwej na epitaksjalnych warstwach typu n i p przedstawin na rys. 2, 3, 4. Pmiary charakterystyk przeprwadzn plaryzując strukturę d stanu inwersji d akumulacji i pnwnie d stanu inwersji. Z przedstawinych charakterystyk wynika, że zrealizwane za pmcą sndy rtęciwej struktury MOS wykazują mały stsunek Cniin/Cmax (Cmin/Cmax ~ 0.2) krzystny przy pmiarach czasów życia. Wyliczna z pmiarów pjemnści pwierzchnia kntaktu rtęciweg dść dbrze zgadza się z pwierzchnią kntaktu pdaną przez prducenta stswaneg zestawu pmiarweg (S = 4.53 * 10'"^ cm ). Otrzyman też dstatecznie dbrą zgdnść kncentracji nśników większściwych wyznaczną z charakterystyki C - V kndensatra MOS, z kncentracją zmierzną knwencjnalną metdą C - V na tych płytkach przed ich utlenieniem. Wyniki te raz pzstałe parametry struktury MOS i tlenku zamieszczn na rys. 2 4 przedstawiających charakterystyki pjemnściw - napięciwe. POLARYZACJA STRUKTURY MOS Wybór dpwiednich warunków pmiaru Xg zależał d charakteru zmian pjemnści w czasie struktury MOS, p zakłóceniu stanu równwagi struktury przez zmianę przyłżneg napięcia. Przykładwe charakterystyki C-t dla płytki typu p/p"*" (pjedynczy kntakt rtęciwy) raz wyznaczny z nich metdą Zerbsta czas życia przedstawin na rys. 5. Na rys. 5a przed- stawin zmiany pjemnści struktury MOS w trakcie pwrtu d równwagi, p prze plaryzwaniu jej ze stanu akumulacji d stanu głębkieg zubżenia, a na rys. 5b zmiany te p przeplaryzwaniu struktury MOS ze stanu inwersji d głębkieg zubżenia. 13

6 Pmiar czasu życia... Pmiary wyknan dla kilku różnych zmian napięcia. Analgiczne pmiary dla tej samej warstwy epitaksjalnej przeprwadzne zstały dla struktury MOS trzymanej za pmcą pdwójneg kntaktu rtęciweg - rys. 6a. Przykładwe wyniki pmiarów Xg dla struktur MOS utwrznych na warstwie epitaksjalnej typu p wyższej rezystywnści przy użyciu pjedynczeg i pdwójneg kntaktu rtęciweg przedstawin na rys. 6b. Dla badanych płytek, we wszystkich przypadkach, zwiększenie skku napięciweg spwdwał wzrst głębkści bszaru zubżneg i wydłużenie czasu pwrtu struktury MOS d stanu inwersji lecz nie miał wpływu na zmierzną wartść generacyjneg czasu życia nśników mniejszściwych. Nie zabserwwan też isttnych różnic w wyznacznych wartściach tg w zależnści spsbu twrzenia struktury MOS za pmcą kntaktów rtęciwych. OCENA POWTARZALNOŚCI POMIARU Xg W KRZEMOWYCH WARSTWACH EPITAKSJALNYCH D ceny pwtarzalnści pmiarów czasu życia nśników mniejszściwych psłużyły pmiary w jednym punkcie, zarówn dla warstw typu n jak i typu p. Struktury MOS twrzn każdrazw w tym samym punkcie płytki, następnie p trzymaniu prawidłwych przebiegów charakterystyk C(t) wyzna Nr «) c E Plaryzaclaiyl T. l l i S l 6 -> ± , m c E <B O 1_. Nr Plaryzacja IV] T. i n s l AT,.,I%1 D. 2,3.4,6,7-5--->20 A 179,5^ 170,1 ± 5, 8 177,S 160,9^ A A Czas[s] B O C z a s [ s ] ''OO Rys. 7 Charakterystyki C(t). Rzrzuty pmiarwe w jednym punkcie płytki. A - pjedynczy kntakt rtęciwy, warstwa typu n B - pdwójny kntakt rtęciwy, warstwa typu p 14

7 A. Brzzwski, J. Sarnecki A T, [ % 1 P l a r y z a c j a IV1 ± 6 5 Czas[Si O Czas[s] Rys. 8 Charakterystyki C(t). Rzrzuty pmiarwe na płytce. A - pdwójny kntakt rtęciwy, warstwa typu n B - pjedynczy kntakt rtęciwy, warstwa typu n czan z nich metdą Zerbsta generacyjny czas życia nśników mniejszściwych. Pmiary pi-zeprwadzn dla sndy rtęciwej z pjedynczym i pdwójnym kntaktem rtęciwym. Otrzymane charakterystyki C(t) raz wyznaczne wartści tg i ich rzrzuty przedstawin na rys. 7. Otrzyman rzrzuty wartści Tg zbliżne d pdanej przez prducenta wielkści ± 10%. Na rys. 8 zamieszczne są charakterystyki C(t) wyknane za pmcą sndy z pjedynczym i pdwójnym kntaktem rtęciwym raz wyznaczne z nich wartści czasu życia nśników w różnych punktach tej samej płytki. Otrzymane rzrzuty w wartściach Tg związane są z niejednrdnścią czasu życia nśników mniejszściwych w różnych bszarach badanej warstwy epitaksjalnej. Zabserwwane rzrzuty wartści Tg są prównywalne z wynikami przedstawinymi np. w pracy [3] i trzymanymi dla struktur MOS z napylnymi kntaktami metalicznymi. PODSUMOWANIE Zastswan sndę rtęciwą przy kreślaniu charakterystyk C(V) i C(t) struktury MOS, w której rlę bramki w typwym kndensatrze MOS pełnił kntakt rtęciwy. 15

8 Pmiar czasu życia... Z charakterystyk C(t), tak utwrzneg kndensatra MOS, wyznaczn metdą Zerbsta generacyjny czas życia nśników mniejszściwych w krzemwych warstwach epitaksjalnych typu n i p. Wyeliminwanie prcesu napylania kntaktów przez zastswanie kntaktów rtęciwych uprścił cykl przygtwania płytek d pmiaru i przyspieszył same pmiary. Z przedstawinych wyników pmiarów Xg wynika: - dla bu typów warstw spsób twrzenia struktury MOS (pjedynczy lub pdwójny kntakt rtęciwy) nie wpływał w spsób isttny na wartść tg; - przy przeplaryzwaniu d akumulacji d głębkieg zubżenia średnia wartść Tg dla warstw typu p była większa k. 10% w prównaniu z wynikiem trzymanym przy przeplaryzwaniu d inwersji d głębkieg zubżenia; - wielkść skku napięcia dla bu spsbów plaryzacji nie miała wpływu na wartść Tg (w granicach dkładnści i pwtarzalnści pmiarów); - dla pmiarów w tym samym punkcie płytki w knfiguracji pdwójneg kntaktu rtęciweg trzyman pwtarzalnść ± 5,8% (warstwa typu p) i przy pjedynczym kntakcie ± 13% (warstwa typu n); - dla warstwy typu n (pmiar tej samej płytki) przy pdwójnym kntakcie rtęciwym rzrzut wartści Tg wynsił ± 33% a przy pjedynczym kntakcie był dwukrtnie większy; - zastswanie pdwójneg kntaktu rtęciweg umżliwia bardziej pwtarzalne pmiary charakterystyk C(V) i C(t). BIBLIOGRAFIA [1] Zerbst M.: Relaxatinseffekte am Halbleiter - Islatr Grenzflachen. Z. Angew Phys., 22, [2] Heiman F. P.: On the determinatin f minrity carrier lifetime frm the transient respnse f a MOS capacitr. IEEE Transactins n Electrn Devices, vl. ED-14,1967, 781 [3] Siennicki A.: Metdy identyfikacji parametrów prcesów generacyjn-rekmbinacyjnych w testwych strukturach MOS. Rzprawa dktrska. Plitechnika Warszawska, Wydział Elektrniki. Warszawa