PL ISSN 0209-0058 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T.21-1993 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, 01-919 Warszawa
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«-0.559 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
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 0. 2 4 4 Araa = 4. 6 i 5 E - 3 cm' Nsub.5.341E14cm' Cfb-a7 3ieF CIb/Cx.0.667 VI6(0).-1.413V V1--Ź.313V QSS-2.637E11 ins/cm* C x. 1 1 4 4 4 3 pf Cmln/Cniix-0.16 Are«=3.872E-3cm' Nsub-1.767E14cm C ( b - 6 1 664I1F O l s - 3. 6 6 3 611 I n a / c i r ' Cfb/Cx-0.S3g Vfb(0) - 2. 4 5 2 V Vt--1.777V 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
Pmiar czasu życia... c E Nr Pliryzic)iIV] tlt^sl -S > 5 148 157 -B -5 >30 > 20 1 148 143 Nr Pliryuc i[v] lalftl 2 1 3 5 6 >16 >10 143 135 4 144 5 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 >10 154 2-5 ->20 159 3-5 >10 144 4-5 >20 159-00 c E a> 0. Nr Plaryzacja [VI T.tus] 1-5 >20 271.6 2-5 >20 306.6 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
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 1000 1200 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
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 1 2 3 4 5 6 7 «) c E Plaryzaclaiyl T. l l i S l 6 ->15 39 37 34 34 ± 1 3 33 32,5 32 1 2 3 4 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^ 1.2.3 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
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
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, 1966.30 [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 1989 16