-и-переходе
.
С развитием микроэлектроники начинают применяться новые материалы и их комбинации для получения заданных свойств полупроводниковых приборов. Для таких приборов распределение легирующей примеси в объеме полупроводника является одной из важнейших характеристик.
Наличие внешнего электрического поля на поверхности, а также неоднородность концентрации неподвижных ионизированных атомов примеси в объеме полупроводника приводит к перераспределению свободных носителей тока. Это является причиной возникновения в полупроводнике областей, обладающих локально некомпенсированным зарядом — так называемых областей пространственного заряда (ОПЗ). Избыток или недостаток свободных носителей заряда вызывает изменение проводимости в ОПЗ. Поэтому, как правило, именно ОПЗ определяют разнообразие электрофизических свойств полупроводников и характеристик полупроводниковых приборов. В неоднородно легированном полупроводнике формирование объемных ОПЗ обычно связано с изменением концентрации легирующей примеси, а поверхностных — наличием поверхностных состояний и внешним электрическим полем.
Уменьшение размеров базовых элементов полупроводниковых приборов и ограничения формы профиля легирования, накладываемые технологией их производства, стали причиной того, что большинство используемых структур состоит из набора чередующихся однородно легированных слоев. Основными параметрами, определяющими локализацию ОПЗ, а, следовательно, и электрофизические свойства таких структур, являются толщины и уровни легирования образующих структуру слоев. С одной стороны, основываясь на этих параметрах возможно анализировать распределение потенциала и плотности свободных носителей заряда при заданных внешних условиях и, таким образом, предсказывать характеристики исследуемых структур (прямая задача). С другой стороны, исходя из полученных экспериментально вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, можно пытаться восстановить исходные значения параметров структуры (обратная задача). Последняя задача представляет наибольший интерес.
Наиболее чувствительными методами, позволяющими получить информацию о толщинах и уровнях легирования используемых слоев, являются емкостные измерения, основанные на зависимости ширины поверхностного обедненного слоя от профиля легирования и приложенного напряжения. Они позволяют проводить анализ профилей легирования полупроводников в диапазоне толщин от нанометров до сотен микрон. К признанным достоинствам этих методов можно отнести быстроту и относительную простоту осуществления эксперимента. В настоящее время традиционным является метод нахождения профиля легирования из измеренной при обедняющих потенциалах вольт-фарадной характеристики (ВФХ) по формулам [1] на, а — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, £о — диэлектрическая постоянная, сзс — измеряемая емкость ОПЗ полупроводника, а У$ - поверхностный потенциал. Основной недостаток этого метода состоит в использовании приближения сильного обеднения, предполагающего полную ионизацию леги.
7 (?С~2Х1.
-.т*/ * — ^ 1 Г *.
N (м,) = +——, м> = д££0 { йУн где ч>* - глубина поверхностного обедненного слоя, — концентрация примеси на этой глубине (Ы*<0 соответствует акцепторной примеси, Ы*>0 — донорной), д — абсолютное значение заряда электрорующей примеси, резкую границу обедненного слоя и отсутствие в его пределах носителей тока. В ряде случаев эти допущения приводят к возникновению значительных ошибок в рассчитанном по приведенным формулам профиле. Так, из-за пренебрежения зарядом, связанным с диффузией основных носителей тока, возникает так называемое «дебаевское уширение» определяемых профилей легирования. Его появление объясняется размытием края обедненного слоя за счет диффузии основных носителей тока, которое приводит к тому, что определяемый традиционным методом профиль изменяется в зависимости от координаты медленнее по сравнению с реальным распределением примеси в полупроводниковой структуре. Дебаевское уширение наиболее заметно в структурах с существенными изменениями концентрации легирующей примеси на расстояниях, соизмеримых с локальным радиусом дебаевского экранирования. Другим недостатком традиционного метода является рассмотрение влияния на ВФХ носителей тока только одного типа, что приводит к значительным трудностям при их интерпретации для структур с р-п-переходами.
Таким образом, традиционный подход не может быть применен к анализу ВФХ наиболее широко используемых в настоящее время слоистых полупроводниковых структур.
В настоящей работе развиты методы обработки данных емкостных измерений, основанные на развитии теории, учитывающей резкий перепад концентрации легирующей примеси между слоями и наличие в структуре ¿-«-"-переходов. В частности, предложен аналитический (без решения прямой задачи) метод коррекции на дебаевское уширение определяемых традиционным методом профилей легирования изотипных структур (содержащих один тип легирующей примеситолько донорную или только акцепторную — по всему объему полупроводника), а также методы обработки ВФХ с целью опре6 деления профилей легирования полупроводниковых структур с р-п-переходами.
Для проверки применимости предлагаемых в работе моделей, которые связывают значения параметров, описывающих форму профиля исследуемых структур с ВФХ, использовалась процедура обратного моделирования. Ее основная идея состоит в том, что подлежащие определению параметры считаются заданными с некоторой, возможно малой, точностью. По этим данным проводится решение прямой задачи (вычисление теоретической ВФХ), а потом, на основании отличий теоретической и экспериментальной характеристик, производится коррекция исходного набора параметров. После этого описанная процедура повторяется. При сходимости итераций и соответствии полученной формы профиля заранее известной (например, из технологического цикла изготовления структуры) информации, модель, на основании которой искалось решение прямой задачи, может считаться правильной. Проблема получения экспериментальных ВФХ полупроводниковых структур потребовала развития импульсной методики измерения емкости, что позволило расширить диапазон измеряемых емкостей, а также повысить точность измерения емкости поверхностной ОПЗ в присутствии поверхностных состояний и при наличии токов утечки. Расчет ВФХ по заданному профилю легирования проводился по оригинальным, описываемым в настоящей работе, алгоритмам.
Цель работы.
Целью проведенного исследования являлось развитие емкостных методов определения профилей легирования полупроводниковых структур в ситуациях, когда традиционный способ обработки ВФХ не позволяет получить достоверную информацию: при наличии в структуре /"-«-переходов либо сильном влиянии дебаевского уши-рения.
В соответствии с этой целью решались следующие задачи:
1. Разработка для слоистых полупроводниковых структур моделей ОПЗ, позволяющих производить теоретический анализ ВФХ таких структур.
2. Разработка методов определения профиля легирования полупроводниковых структур по ВФХ с учетом влияния дебаевского уши-рения обедненного слоя и в пренебрежении вкладом неосновных носителей тока для структур с резко изменяющейся концентрацией легирующей примеси.
3. Разработка методов определения параметров полупроводниковых структур с одним или несколькими /7-й-переходами по измеренным ВФХ.
4. Экспериментальная проверка разработанных моделей и методов определения параметров полупроводниковых структур по ВФХ, включающая дальнейшее развитие методики измерения емкости. Проверка применимости используемых приближений путем численного моделирования процессов, происходящих в ОПЗ полупроводниковых структур.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка используемой литературы из 88 наименований, содержит 46 рисунков. Общий объем диссертации составляет 155 страниц.
5. Общие выводы.
Можно сформулировать следующие основные результаты работы:
1. Для полупроводниковых структур с резким изменением концентрации легирующей примеси исследовано влияние перераспределения основных носителей тока на точность определяемых по ВФХ профилей легирования. Показано, что традиционный метод не позволяет правильно определять профиль легирования таких структур без применения коррекции на дебаевское уширение.
2. Предложена процедура коррекции на дебаевское уширение найденных традиционным методом по ВФХ профилей легирования. Проведен анализ условий применимости этой коррекции.
3. Для структур с р-я-переходами предложены методы определения их профилей легирования по ВФХ.
4. Приведены алгоритмы расчета и развиты модельные представления, которые были использованы для построения теоретических ВФХ изотопных полупроводниковых структур и слоистых структур с /7-и-переходами, позволившие:
1) проверить применимость предложенной методики коррекции на дебаевское уширение на множестве изотипных структур,.
2) осуществить процедуру обратного моделирования,.
3) теоретически предсказать наличие минимума на ВФХ структуры с расположенным вблизи поверхности р-и-переходом.
5. Исследовано влияние неравномерности распределения легирующей примеси на измеряемые традиционным методом профили легирования. Показано, что при неоднородном по площади травлении из-за неравномерности профиля под барьерным контактом на определяемом профиле возможно появление ложных пиков и ступеней.
6. Предложено усовершенствование методики измерения емкости с помощью малых по амплитуде импульсов тока, сутью которого является подключение параллельно с исследуемой полупроводниковой структурой балластного конденсатора. Показано, что наличие такого конденсатора позволяет расширить диапазон измеряемых емкостей, а также повысить точность измерения емкости поверхностного обедненного слоя полупроводника при наличии токов утечки и поверхностных состояний.
7. С помощью усовершенствованной методики измерения высокочастотной емкости получены результаты, подтверждающие правильность представленной в работе методики коррекции профилей легирования на дебаевское уширение для изотипных структур, а также показавшие возможности практического применения предложенных способов определения профилей легирования по экспериментальным ВФХ для структур с /"-«-переходами.