Диссертация (1091051), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Во время проведения сканирования зонд раскачивается на частоте своегомеханическогорезонансаэлектрическимполем(Рисунок 3.4).Приэтомнеобходимо поддерживать амплитуду колебаний зонда равной нулю за счетизменения постоянного напряжения смещения.102Рисунок 3.4 – Схема проведения измерений МЗК [141]Данные, полученные при измерениях МЗК, позволяют определять участкина поверхности полупроводникового материала, с различной величинойповерхностного потенциала. Это позволяет исследовать полупроводник напредмет наличия нежелательных примесей в его структуре. Так же методпозволяет локализовать внесенный в МДП-структуру заряд.Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ)Сканирующая емкостная микроскопия позволяет проводить измерениераспределенияемкостипообразцу.Сканированиеосуществляетсяподвухпроходному колебательному методу (Рисунок 3.5).Рисунок 3.5 – Схема проведения измерений методом СЕМ [142]Процесс сканирования проходит в два этапа: при первом проходеполуконтактным методом измеряется рельеф поверхности образца, на второмпроходе зонд отводится на некоторое расстояние над исследуемой поверхностью.103Между образцом и зондом подается постоянное напряжение смещенияпеременное напряжениеи.
Если электрическая емкость системы зонд-образец равна , то электрическая энергия, запасенная в конденсаторе равна:,(3.10)при этом сила, с которой зонд будет притягиваться к поверхности,выражается как:(3.10)При повторном сканировании для увеличения колебаний зонда на второйгармонике частотаустанавливается равной половине резонансной частоты. Засчет того, что расстояние зонд-образец постоянно, изменение амплитудыколебаний зонда характеризует изменение емкости между зондом и образцом.Метод СЕМ позволяет исследовать локальные диэлектрические свойстваприповерхностныхобластейполупроводников,изучатьраспределениевполупроводниках легирующих примесей.Контактная сканирующая емкостная микроскопия (КСЕМ)Основное отличие методики КСЕМ от метода СЕМ раскрыто в названии.Сканирование осуществляется при непосредственном постоянном контакте зондас исследуемым образцом.Рисунок 3.6 – Схема сканирования методикой КСЕМ [150]104Зонд СЗМ с платиновым проводящим покрытием приводится в контакт споверхностью полупроводника.
Полупроводник покрыт тонкой пленкой SiO2. Вэтом случае система зонд-диэлектрик-полупроводник представляет собой МДПструктуру (Рисунок 3.6). При анализе поверхности производится измерениевеличины производной емкости системы зонд-диэлектрик-полупроводник понапряжению в выделенной области сканирования.Методика КСЕМ широко применяется при анализе профилей легированияполупроводниковых структур.
На основе измерений КСЕМ возможно построитьвысокочастотныехарактеристики, определять области с различнымиемкостными характеристиками. Метод позволяет различать между собой областиp и n диффузии [143].Метод отображения сопротивления растеканияОтображение сопротивления растекания – один из методов контактнойатомно-силовой микроскопии.Рисунок 3.7 – Схема измерений методом отображения сопротивлениярастеканияМетодика основана на измерении тока, протекающего между зондом иобразцом при подаче напряжения смещения (Рисунок 3.7). При проведенииизмерений методом отображения сопротивления растекания применяютсятокопроводящие кантилеверы с покрытием из платины или нитрида титана.
Если105сопротивление контакта зонд-образец постоянно при сканировании, то ток будетзависеть от локальной проводимости образца.Метод отображения сопротивления растекания широко применим дляопределениягеометрическихразмеровМДП-транзисторах, локализацииобластейстокаиистокавпереходов. Так же метод можноиспользовать для исследования причин возникновения отказов ИМС [144-146].В Главе 1 и Главе 2 продемонстрированы принципы функционированияэнергонезависимой памяти на основе хранения заряда и ее возможные отказы.Проведенный анализ существующих методик СЗМ показал ширину спектра ихприменениявобластиисследованийэлектрофизическихпараметровполупроводниковых структур.
На основе анализа характеристик существующихметодик СЗМ, в работе предложено проводить исследования и выявление отказовЭНП на основе хранения заряда с использованием методов КСЕМ, МЗК и методаотображения сопротивления растекания.3.2. Контактная сканирующая емкостная микроскопия3.2.1 Ключевые принципы и явления, лежащие в основе работыметодики КСЕМВ методике КСЕМ токопроводящий зонд приводится в постоянный контактс тонким слоем оксида, расположенного поверх полупроводниковой структуры. Взависимости от типа проводимости полупроводника в дальнейшем необходимоучитывать полярность прикладываемого напряжения. К полупроводнику черезомическийконтактприкладываетсявысокочастотноенапряжение.Такимобразом, если приложено напряжение 5 В, то на образце потенциал равен 5 В.В зависимости от подаваемого напряжения смещения можно рассмотреть 4состояния системы зонд-образец – обогащение, режим плоских зон, обеднение иинверсия [147].
Используя приближение одномерной параллельной плоскойструктуры (т.е. идеальный оксид, идеальная поверхность, отсутствие краевыхполей), емкость может быть рассчитана для 4 состояний. В этом приближении106МДП-структурапредставляетсобойрядсоединенныхконденсаторов(Рисунок 3.8).Рисунок 3.8 – Структура зонд-образец [148]Емкость оксида () между зондом и поверхностью полупроводникапоследовательно соединена с емкостью полупроводникаемкостью благодаря обедненному слою емкостью. И являетсяили инверсному слоюв полупроводнике.
На рисунке 3.9 представлена зависимость общей емкостиот приложенного напряжения смещения.а)б)в)Рисунок 3.9 – Схематичное (сверху) и графическое представлениесостояний системы зонд-образец в зависимости от приложенногонапряжения смещения [149]107Режим плоских зонНапряжение, разделяющее режимы обогащения и обеднения, называютнапряжением соответствующему режиму плоских зон,затвораиполупроводникаравны.Видеальном. Уровни Фермислучаенапряжение,соответствующее режиму плоских зон, равно 0 В. Как только на границе разделаоксид-полупроводник появляется заряд, напряжение плоских зон смещается кположительному или отрицательному значению.ОбогащениеВ этом случае основные носители заряда из подложки перемещаются кобласти под кончиком зонда (Рисунок 3.9(в)).. Это можно представить с помощьюэнергетических диаграмм (Рисунок 3.10 (а)).
– тип – типа)б)в)Рисунок 3.10 – Энергетические диаграммы полупроводников- типа и- типа для состояний накопления (а), обеднения (б) иинверсии (в) [149]108Дляполупроводника- типакриваяположительному напряжению на образце, дляизгибаетсявверхблагодаря- типа наоборот.Таким образом, в режиме обогащения:для,(3.11)при этом емкость оксида равна:,гдеоксида,– площадь контакта зонда,(3.12)– диэлектрическая проницаемость– толщина оксида. Таким образом, величиназависит от типалегирования и от концентрации носителей заряда в полупроводнике.ОбеднениеПриосновные носители заряда притягиваются к положительнозаряженному контакту с обратной стороны полупроводника.
В областипространственного заряда происходит обеднение полупроводника около границыраздела с оксидом (рис 3.9 (б)). Из энергетических диаграмм на рисунке 3.10 (б)видно, что в состоянии обеднения кривая изгибается вниз для полупроводника- типа и вверх для- типа. Обедненная область является дополнительнымизолятором вместе с тонким слоем диэлектрика. Таким образом, общую емкостьсистемы можно представить как:(3.13)зависит от концентрации примеси полупроводника:√Где–обозначает– поверхностный потенциал,примеси полупроводника (полупроводника,(3.14)электрическую– заряд ипроницаемостькремния,– концентрация акцепторов в– концентрация доноров в примеси в случае- типа). Знаменатель этого уравнения представляет собойобедненную область полупроводника. Более высокая (низкая) концентрацияносителей приводит к более узкой (широкой) области обеднения и, таким109образом, к более высокому (низкому) значению емкости обеднения или болеевысокому (низкому) значению общей емкости.ИнверсияКогда приложенное напряжение ниже, чем пороговое напряжение,происходит переход в режим инверсии.
В этом случае общая емкость не зависитот прикладываемого напряжения, но зависит от влияния приложенноговысокочастотного сигнала на неосновные носители заряда. Рассмотрим 3 случая:емкость на низкой частоте, емкость на высокой частоте и емкость в режимеглубокого обеднения. Частотная зависимость связана со временем, котороенеобходимо для генерации неосновных носителей заряда на границе разделаоксид-полупроводник (Рисунок 3.9(а)).Низкочастотные измерения – это квазистатические измерения, при которыхподдерживается равновесное состояние. В этом случае инверсионный слой можетсформироваться и зависит он только от:для(3.15)Прикладывая высокочастотный сигнал, неосновные носители заряда неуспевают сформировать инверсионный слой и не влияют на общую емкость.Следовательно, общая емкость равна последовательно соединенным емкостямоксида и обедненного слоя максимальной ширины:для,(3.16)при этом:√(3.17)Проведенный анализ принципов измерений, лежащих в основе методаКСЕМ, показал возможность применения метода в измерении емкостныххарактеристик МДП-структур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
