CC BY
44
Для керування експериментом у режим1 реального часу використовуються цифров1 входи/виходи порту принтера (дал1 LPT), що надае 10 ТТЛ виход1в i 4 ТТЛ вход1в. 1нтерфейс зв'язку приладу з комп'ютером служить для узгодження електричних параметрiв сигналу. 1нтерфейс мiстить буфернi елементи для посилення сигналiв керування; репстр перетворення рiвнобiжних даних у послщовний код для зчитування значень i3 ЦУВП (застосованi мiкросхеми К555ИР9); репстр перетворення послщовних даних для установки кодового керуючого слова на блощ живлення (застосоваш мiкросхеми К561ИР9).
Даш вводяться послщовно з застосуванням послщов-но-паралельного регiстра зсуву (застосоваш каскадно включеш мiкросхеми 555ИР9). Устрш керування мш-тить буфернi елементи для узгодження параметрiв сигналiв, керуе регiстром зсуву i приладом. 1нтер-фейсний пристрiй мiстить 7 корпуив мiкросхем i пiдключаeться до комп'ютера дванадцятьма дротами. Час одного циклу вимiру 0.5 секунди (значення часу вимiру обумовлено часом штегрування приладу, хоча в перспективi плануеться використання б^ьш швидкiсного iнтерфейсу аж до 5 МГц).
Програмна частина являе собою базовий модуль iз
вщкритою арх1тектурою на Паскал1 з можлив1стю переносу на rnmi мови програмування. Результати вим1-piB i !хнього опрацювання можуть бути поданi в символьнш i гpафiчнiй фоpмi.
На автоматизованш установцi вимipювалися ВАХ piз-номанiтних напiвпpовiдникових структур. У процеи вимipiв автоматично змiнювалася напруга на зразку (попередньо задавалося початкове, кшцеве значення, крок змши по напру зi i час переключення) i вимipювалися значення струму. Реeстpацiя релакса-цшних стpумiв пiсля попередньо! поляризаци здшснювалась з тимчасовим кроком вiд 0.5 секунди i вище. У майбутньому плануеться зменшити тимчасовий
крок до 10-2 сек, що дозволить дослщжувати бтьш швидкi pелаксацiйнi процеси.
ПЕРЕЛ1 К ПОСИЛАНЬ
1. Воробьев Ю.В., Добровольский В.Н., Стриха В.И. Методы исследования полупроводников // КиТв, Вища школа, 1988. - 232 с.
2. National Instruments. Measurement and Automation Catalogue. 1999. (www.natinst.com)
Надшшла 02.02.99 Шсля доробки 25.06.99
УДК 621.315.592
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОП-СТРУКТУРЫ НА КРУТИЗНУ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ВОЛЬТ-ФАРАДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
А. В. Томашевский, Г. В. Снежной, К. А. Чернявский
В статье представлена модель описывающая влияние параметров МОП-структуры на крутизну вольт-фарадной характеристики. Результаты работы используются при проектировании полупроводниковых приборов.
У статт1 подана модель, що описуе вплив параметр1в МОН-структури на крутизну вольт-фарадноЧ характеристики. Результати роботи використовуються при проектувант натвпров1дникових прилад1в.
The model of influence of parameters a MOS-structure to a steepness a C-V characteristics is presented in this paper. The results are use by design of semiconductor devices.
Для полупроводниковых приборов, изготовленных на основе структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структуры) важное значение имеет крутизна высокочастотной вольт-фарадной характеристики (ВЧ ВФХ), причем требования к крутизне могут быть различны. При изготовлении МОП-транзисторов крутизна ВФХ применяемых МОП-структур должна быть максимально большой, так как структуры с более крутыми ВФХ
характеризуются более низким пороговым напряжением. Для электрически управляемых емкостных элементов -МОП-варикапов требуются структуры, обладающие как можно более пологой ВФХ, чем обеспечивается расширение рабочего диапазона управляющих напряжений. Исходя из необходимости получения МОП-структур с разной крутизной ВФХ, актуальна задача исследования связи крутизны ВЧ ВФХ и основных параметров МОП-структуры: толщины окисла, степени легирования полупроводника, плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-окисел. Решение данной задачи позволит определить оптимальное сочетание этих параметров для обеспечения требуемой крутизны.
МОП-структура может быть представлена эквивалентной электрической схемой из емкости диэлектрика последовательно соединенной с дифференциальной емкостью полупроводника. Входная емкость такой эквивалентной схемы [1]:
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА
С,
С =
С + С4 + С
Са+
+ С„ ■ -
(С + ^+С)2 + ю2 - т2 ■ ^ ■ (С + СР (С + +Cs)2 + т2- (Сг + СС1)2 .
(1)
где т - время релаксации поверхностных состоянии; С. - емкость поверхностных состоянии на границе раздела полупроводник-диэлектрик; С. - емкость диэлектрика;
С^ - дифференциальная емкость полупроводника; ю - частота.
ВФХ определяется зависимостью емкости С от постоянного напряжения смещения и, прикладываемого к МОП-структуре. Для нахождения ВФХ необходимо определить влияние и на переменные, входящие в правую часть выражения (1).
Введем следующие обозначения: —. - поверхностный
потенциал; —ь - разность между уровнем Ферми в собственном полупроводнике и уровнем Ферми в легированном полупроводнике; В - величина обратная тепловому потенциалу; п. - собственная концентрация
носителей заряда; р, пр - концентрация основных и
неосновных носителей заряда соответственно; ч - заряд электрона; к - постоянная Больцмана; Т - температура.
Будем считать, что полупроводник р-типа и МОП-структура единичной площади. Время релаксации т, характеризующее процесс перезарядки поверхностных состоянии такои структуры аппроксимируется выражением [2]:
1
V ■ о п.
Р 1
ехр [ -В- (—ь - —.)]
Е (В- —г пр /Рр)
где е. - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
Ь^ - дебаевская длина;
Е(В ■ — np/Рp) - коэффициент равныИ:
Е(В ■ —np/pp) = [(e~B' — + B■ — . - 1) +
B■ — 1 /2
+ пр/рр ■ (е ^-В^ — . - 1)] .
Значение —. связывается с приложенным напряжением и выражением:
1
—. = и-и0 - (2 ■ ии0 + и20)2 ,
2
где и = и - иЕВ - О / С. ; и0 = а ■ N ■ е / С ,
^ еВ ^п . ' 00 " а . 1 '
(4)
(2)
где V - средняя тепловая скорость; Ор - абсолютное сечение захвата дырки. Емкость диэлектрика:
С1 = е/^,
где е. - диэлектрическая проницаемость окисла; di - толщина окисла.
Емкость обедненного слоя полупроводника Cd определяется как [2]:
ез [ 1 -е~В' — + п /р . (еВ' —- 1)] Са = -=-£---^ „ р р - --, (3)
Оп = -Сг (и - иЕв - ^ Ь) + (^ е.-Ч^а-ь\) . Отметим, что величина заряда О также же определяется приложенным напряжением и , т.е. влияние напряжения и на —. имеет сложныИ вид. Емкость поверхностных состоянии С. определим исходя из допущения,
что заполнение поверхностных состоянии подчиняется статистике Ферми-Дирака и поверхностные состояния непрерывно и равномерно распределены по запрещеннои зоне полупроводника. Тогда плотность поверхностных состоянии N.. постоянна, не зависит от напряжения и,
прикладываемого к МОП-структуре и емкость поверхностных состоянии равна:
С = Ч2Ызз . (
Уравнения (1 - 5) представляют математическую модель емкостных своиств МОП-структуры с учетом поверхностных состоянии. Полученная модель в неявном виде отражает влияние на полную емкость МОП-структуры ее основных параметров: толщины окисла, концентрации легирующеи примеси в полупроводнике, плотности поверхностных состоянии на границе раздела полупроводник-диэлектрик. Для решения поставленнои
задачи необходимо наити S = ^ (крутизну ВФХ) и
д и
оценить влияние на S перечисленных выше параметров МОП-структуры, что и было осуществлено методом графического дифференцирования с помощью ЭВМ.
По предложеннои методике получены семеиства графических зависимостей С = /(и) при разных N..,
S = /(Ыа) при разных di. Исходными данными при расчетах взяты следующие: МОП-структура А1 - $Ю2 - 31 (Б) , постоянные параметры исследуемои
МОП-структуры: е.. = 3, 5 10-13Ф/см, е. = 1, 054 ■ 10-12 Ф/см, V = 107см/с, -16 2
Ор = 4, 3 ■ 10 16 см . Моделирование проводилось для
46
"Радюелектрошка, ¡нформатика, управлшня" № 2, 1999
температуры Т = 300 К и частоты ю = 104Гц. Выбор частоты обусловлен тем, что на низких частотах емкость поверхностных состояний успевает перезаряжаться в
фазе с изменением напряжения внешнего сигнала и не вносит вклад в форму С-У-характеристик.
Численные исследования для определения влияния на крутизну ВФХ степени легирования N, толщины
окисла di и плотности поверхностных состояний N
проведены при варьировании Ма , dj, N в пределах:
N = 1014 - 1018см-3, d. = 10 - 100 нм,
а ' 1 '
Nss = 109 - 1015 эВ-1 ■ см-2 .
На рис 1 приведены ВФХ для толщины диэлектрика di = 20 нм и степени легирования Na = 1014 см-3 при различных N. Такой вид ВФХ характерен и для других di, Na . Кривая 1 соответствует случаю Nss = 0 ,
т.е. для идеализированной МОП-структуре. Кривые 2, 3, 4 получены при равномерно распределенном энергетическом спектре поверхностных состояний со значениями N = 1011, 1012, 1013 эВ 1 ■ см2 соответственно.
С увеличением напряжения сначала наблюдается более пологий участок ВФХ, а затем крутизна резко возрастает. Соотношение между длиной крутого и пологого участка определяется величиной N . Наличие на ВФХ
двух участков с разной крутизной экспериментально наблюдалось и связывалось с перезарядкой поверхностных уровней на границе раздела полупроводник-окисел [2].Поверхностные состояния на границе раздела полупроводник-окисел перестают оказывать влияние на
форму ВФХ при низкой плотности N = 1— 1010 -1 -2
эВ см . Крутизна ВФХ при низкой плотности поверхностных состояний определяется только толщиной диэлектрика и степенью легирования полупроводника (рис. 2).
По полученным результатам можно сделать такие выводы. Максимально пологие ВФХ обеспечиваются при _1 _2
N < 101° эВ ■ см и в этом случае крутизна определяется только сочетанием толщины окисла и степени легирования полупроводника. С увеличением плотности
поверхностных состояний уже при N = 1011 -1 -2
эВ ■ см на ВФХ появляется более крутой участок, величина которого увеличивается с увеличением N .
13 -1 -2
При N = 1013 эВ ■ см крутизна ВФХ достигает максимальной величины. Максимальная емкость С
тах
определяется емкостью диэлектрика С1 . Минимальная
емкость Ст^п зависит от толщины диэлектрика и
степени легирования полупроводника. Результаты работы используются при разработке полупроводниковых приборов на МОП-структурах.
С, Ф 210-7
1.5-10110-7 5-10-8 0
^— 4
\— 3
" 1 — 1 1 1 X 2 — | | , 1 ,
-0.4 -0.2
У',В
0.2
0.4
1 - N = 0; 2 - N = 1011 эВ ■ см ; 3 - N = 1012 эВ-1 ■ см-2 ; 4 - N.. = 1013 эВ-1 ■ см-2
Рисунок 1 - Типичные ВФХ МОП-структур
Б, Ф/(В-см2) 10"7 108 10"9 10-ю
10"11
20 нм
40 нм
60 нм
1СГ
101'
ю11
ю1
Ыя, см";
Рисунок 2 - Влияние на крутизну ВФХ МОП-структуры толщины окисла и степени легирования полупроводника
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Литовченко В.Г., Горбань А,П. Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник. К.: Наук. думка, 1978. - с. 35 - 37
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - Кн. 1, с. 377 - 433
Надшшла 13.09.99
0
