Elektrische Charakterisierung
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1 Fachpraktikum Versuchsuchsanleitung Elektrische Charakterisierung 1. Versuchsziel Mikroelektronik und Sensorik Messen wichtiger Parameter einer MOS-Struktur und Kennenlernen des Einflusses dieser Größen auf die Eigenschaften des Gate-Raumes von MOS-Transistoren. Kennenlernen von Grundlagen der Meßtechnik von MOS-Strukturen und deren Interpretation. Versuch: Elektrische Charakterisierung 2. Versuchsgrundlagen Für die Überprüfung der Qualität technologischer Abläufe zur Erzeugung mikroelektronischer Bauelemente und Bauelemente der Sensorik werden spezielle Teststrukturen entworfen, die auf einem Chip durch Meßspitzen angetastet werden können. Die gemessenen Kennlinien und ihre Abhängigkeit von den technologischen Abläufen erlauben es Rückschlüsse auf den Einfluß verschiedener Prozeßparameter auf die maßgeblichen elektronischen Eigenschaften der erzeugten Bauelementestrukturen zu ziehen. Damit wird eine Optimierung der Topologie und der Prozeßführung hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften des Bauelementes ermöglicht. In der Hochintegrationstechnik informationsverarbeitender Bauelemente, wie Speicherschaltkreise und Mikroprozessoren, werden überwiegend Schaltkreise verwendet deren Grundbaustein der MOS-Transistor und die MOS-Kapazität ist (Metal-Oxide-Semiconductor).Die Dicke der Isolatorschicht liegt je nach Integrationsgrad zwischen 100 und 3 nm. Für diese Bauelemente ist die genaue Kontrolle der Grenzflächeneigenschaften zwischen den einzelnen Materialien sowie die Isolatoreigenschaften des Dielektrikums ausschlaggebend für die elektronischen Eigenschaften dieser Bauelemente. Für die Charakteisierung der MOSStruktur werden folgende Eigenschaften herangezogen: Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 2 3 - die Dichte der festen Grenzflächenzustände, d.h. der nicht umladbaren Zustände, an der Phasengrenze Isolator-Halbleiter (Nis); wobei P - die Elektronenaffinität des Halbleiters, Eg - die Breite der verbotenen Zone, nB die Differenz zwischen dem Ferminiveau EF und der Bandmittenkante Ei des Halbleiters, - die Dichte der umladbaren Grenzflächenzustände an der Grenzfläche Isolator-Halbleiter (Nss); Pi - die Elektronenaffinität des Isolators, nBi - die Differenz zwischen dem Ferminiveau EF und der Bandmittenkante Ei - die Durchbruchsfelstärke des Isolators (EDB); des Isolators und q - die Ele- - die Durchbruchsladung des Isolators (QDB). mentarladung ist. Ist diese Diese wichtigen Eigenschaften der MOS-Struktur und ihres Gateraumes werden mit Hilfe von Bedingung erfüllt liegt bei Kapazitäts - Spannungsmessungen (C-U) und Stromdichte -Feldstärke - Messungen (J-E) für einer Gatespannung UG der die Durchbruchsladungsmessung (J-E) beurteilt. Flachbandfall vor, d.h. die Bänder im Bän- derdiagramm sind nicht verbogen (Abb.2). 2.1. Theoretische Grundlagen (2) Unabhängig von der an2.1.1. Die ideale MOS-Kapazität gelegten Gatespannung ist die Ladung nur auf der Me- Der MOS-Kondensator, der für den tallelektrode und im Halb- Steuervorgang in einem MOS- leiter lokalisiert. Transistor oder als Spei- (3) Der Widerstand des Iso- Abb.2 Bänderdiagramm einer idealen MOS-Struktur für einen n-Halbleiter im Flachbandfall (UG=0V) cherkapazität verwendet wird, ist lators ist unendlich groß, d.h. bei angelegter Spannung fließt kein Strom durch den von der Geometrie her ein Plat- Kondensator. Legt man nun an den Kondensator eine Gleichspannung an, können in Abhängigkeit vom tenkondensator (Abb. 1). Zur Klärung des Wirkprinzips einer MOSStruktur wird eine ideale An- Vorzeichen und der Polarität der Spannung für die jeweilige MOS-Struktur folgende drei Abb.1 Schematische Darstellung einer MOS-Struktur unterschiedliche Situationen auftreten (Abb.3). Für einen p-Halbleiter soll dies nun näher ordnung angenommen. Für diese gilt: behandelt werden. Liegt an der Gatelektrode eine negative Spannung (UG < 0) so verbiegt sich (1) Die Austrittsarbeiten des Kontaktmaterials nm und des Halbleiters ns sind gleich, d.h. die das Valenzband des Halbleiters an der Phasengrenze Halbleiter-Isolator nach oben und nähert Austrittsarbeitsdifferenz nms ist gleich Null und für einen n-Halbleiter gilt: sich dem Ferminiveau an. Da im Falle einer idealen MOS-Struktur der fließende Strom gleich Null ist, bleibt die Lage des Ferminiveaus im Halbleiter konstant. Aus der exponentiellen (1) Abhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration von der Differenz ppo = ni @ exp ((EF - EV)/kT) folgt das eine solche Bandverbiegung zu einer Vergrößerung der Konzentration der Ma- Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 5 4 joritätsladungsträger an der Grenzfläche führt, d.h. es findet eine Anreicherung der Ladungsträger statt (Anreicherungsfall). Legt man nun an die MOS-Kapazität eine nicht all zu große positive Spannung an (UG > 0) so verbiegen sich die Bänder in umgekehrter Richtung und der Abstand der Valenzbandkante zum Ferminiveau vergrößert sich und die Majoritätsladungsträgerkonzentration verringert sich an der Grenzfläche, d.h. es findet eine Verarmung statt (Verarmungsfall). Erhöht man nun die angelegte positive Spannung so, daß sich die Bandmittenkante Ei mit dem Ferminiveau EF schneidet so führt dies dazu, daß die Konzentration der Minoritätsladungsträger größer als die der Majoritätsladungsträger wird. Daraus folgt eine Umkehrung (Inversion) der Leitfähigkeit an der Grenzfläche Halbleiter-Isolator und es liegt der Inversionsfall vor. Analog erfolgt die Anreicherung, Verarmung und Inversion für einen n-Halbleiter, jedoch bei Gatespannungen mit umgekehrter Polarität. 2.2.2. Eigenschaften einer idealen MOS-Kapazität Die Gesamtanordnung von Abb.3 unterliegt zwei prinzipiellen Bedingungen. Zum ersten muß die Neutralitätsbedingung erfüllt sein, d.h. die Ladung auf der Gateelektrode QG muß gleich der Ladung der Raumladungszone QSC und der Inversionsschicht QI sein, d.h. des Halbleiters sein und es gilt (2) wobei NA - die Grunddotierung des Halbleiters und W - die breite der Raumladungszone ist. Die hier verwendeten Ladungen sind flächenbezogene Größen. In Abb. 3d und 3e sind Feldstärke und Potenzialverläufe im MOS-Kondensator dargestellt. Die zweite zu erfüllende Bedingung ist die Spannungsbilanz. Für eine ideale MOS-Kapazität gilt, daß die angelegte Spannung sich auf den Isolator und den Halbleiter aufteilt. (3) Abb.3 MOS-Kapazität: (a) Prinzip (p-Halbleiter), (b) Bändermodell, (c) Ladungsverteilung, (d) Feldverteilung, (e) Potentialverteilung Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 7 6 Die Spannung über dem Isolator Ui kann mit Hilfe des Ausdruckes für einen Plattenkondensator (C SiO2 = g SiO2@g o@A/d SiO2 ) bestimmt werden. (4) Aus (3) folgt, daß die Gesamtkapazität sich als Reihenschaltung der Kapazität des Isolators und des Halbleiters darstellt. Somit gilt (5) Die Isolatorkapazität ist die maximal ereichbare Kapazität einer MOS-Anordnung. Die Kapazität einer MOS-Struktur ändert sich nichtlinear mit der angelegten Gatespannnung. Ein detaillierte Herleitung der Spannungsabhängigkeit kann in [1,2] nachgelesen werden und ist in Abb. 4 dargestellt. Eine wichtige Kenngröße einer MOS-Kapazität ist die Flachbandkapazität Abb.4 C-U-Kurve einer MOS-Kapazität: (a) NF-Kurve, (b) HF-Kurve, (c) Impulskapazität (MOS-Kapazität im Nichtgleichgewicht) bei nS=0V (6) 1S@cm beträgt JR.10-12 s, damit ist eine Frequenzabhängigkeit der Kapazität nicht zu erwarten. Bei U G =0V wird der Flachbandfall durchlaufen. Wird nun die Gatespannung positiver, so kommt es zur Majoritätsladungsträgerverarmung an der Halbleitergrenzschicht. Die von La- mit gSiO2 und gS als Dielektrizitätskonstante des Isolators und des Halbleiters und LD als cha- dungsträgern entblößte Zone wirkt wie eine zusätzliche Isolatorlage. Dadurch verringert sich die rakteristische Debye-Länge. Gesamtkapazität der MOS-Struktur. Mit Einsetzen der Inversion durchläuft sie ihren minimalen Die Spannungsabhängigkeit einer MOS-Kapazität für UG<0 führt zu einer Akkumulation Wert Cmin bei Umin (Abb.4). Bei Gatespannungen größer als Umin steigt die Gesamtkapazität stark von Majoritätsladungsträgern an der Halbleiter-Isolatorphasengrenze. Wegen dem ex- an und erreicht erneut den Wert von CSiO2. Dies ist durch die sich bildende Inversionsschicht ponentiellen Anstieg der Majoritätsladungsträger mit der Spannungsänderung genügen bereits bedingt, deren Kapazität ebenfalls exponentiell von der Spannung abhängt. Dieser Ka- kleine Potentialänderungen, um eine große Ladungsänderung zu bedingen. Das äußert sich in pazitätsanstieg im Bereich positiver Gatespannungen kann nur beobachtet werden, wenn die einer hohen Raumladungskapazität die im wesentlichen von den beweglichen Ladungsträgern Konzentration der Minoritätsladungsträger an der Grenzfläche Halbleiter - Isolator dem sich stammt. In diesem Spannungsbereich ist CS >> CSiO2 und die Gesamtkapazität ist gleich der ändernden Meßsignal folgen kann. Dies ist nur möglich , wenn die Geschwindigkeit der Isolatorkapazität. Die Relaxationszeit der Ladungsträger ist gleich der dielektrischen Generations- und Rekombinationsprozesse der Minoritätsladungsträger, die vor allem im Relaxationszeit JR=gSgoD, wobei D der spezifische Widerstand des Halbleiters ist. Für Si mit Zusammenhang mit Oberflächenzuständen ablaufen, der sich änderndernden Meßspannung Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 9 8 gleichphasig folgen kann (Abb.4 Kurve a). Bei höheren Meßsignalfequenzen (f>100 Hz) ändert führt diese Spannung zur Herausbildung des Kanals, wenn der Einfluß des Source - Drain - sich die Inversionsladung hingegen nicht, weil die Zeitkonstante ihres Transportvorganges im Feldes vernachlässigt werden kann. Die Schwellspannung VT kann wie folgt ermittel werden Vergleich zur Signalperiode viel zu groß ist. Folglich bleibt die Inversionsladung QI konstant, und die Raumladungskapazität wird nur durch Veränderung der Verarmungsladung verursacht. (8) Die MOS-Kapazität entspricht damit der Verarmungskapazität (Abb.4 Kurve b). Die Kurve c in Abb.4 bei postiver Gatespannung entspricht der tiefen Verarmung oder der Impulsverar- Unter Verwendung von (2) erhält man mungskapazität. Dieses Verhalten tritt auf, wenn man an die MOS-Struktur eine Impulsspannung anlegt, deren größe zum Entstehen einer Inversionsschicht führen müßte. In diesem (9) Fall kommt es nicht auf Grund der Trägheit der Minoritätsladungsträger nicht zum Aufbau einer Inversionszone, obwohl sie nach Vorzeichen und Größe des Oberflächenpotentials Die entsprechende differentielle Kapazität der MOS-Struktur ist gleich eintreten müßte. Die Verarmung bleibt vielmehr erhalten und wächst mit steigender Spannung noch an. Folglich sinkt die MOS-Kapazität mit steigender Gatespannung weiter ab. (10) In Abb.4 sind gleichzeitig die charakteristischen Größen des Oberflächenpotentials nS dargestellt. Der Zustand flacher Bänder stellt sich bei einer idealen MOS-Kapazität bei nS =0V ein, das entspricht UG=0V. Die Verarmung tritt bei einem Oberflächenpotential von nS …0V bis 2.1.3. Die Eigenschaften einer realen MOS-Kapazität nS =nB= kT/q@ln(NA/ni) auf; wobei k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur, NA die Substratdotierung und ni die Eigenleitungsdichte ist. Erreicht nS den Wert 2nB, d.h. die Kon- Die C-U-Kennlinie einer realen MOS-Struktur weicht durch folgende Ursachen vom bisher zentration der Minoritätsladungsträger ist doppelt so groß wie die Konzentration der Ma- erläuterten Verlauf einer idealen MOS-Kapazität ab: joritätsladungsträger, so liegt der Zustand der starken Inversion vor. Die schwache Inversion - erstreckt sich auf den Bereich der Oberflächenpotentiale nB <n <2nB. die zwischen der Gateelektroden- und dem Halbleitermaterial vorhandene Differenz der Austrittsarbeiten. Diese Differenz, das Kontaktpotential, führt bereits im äußerlich span- Der Verlauf der C-U-Kennlinie für hohe Frequenzen läßt sich mathematisch durch die nungslosen Zustand zu einem Oberflächenpotential des Halbleiters, d.h. es existiert schon Analogie mit einem Verhalten eines assymetrischen pn-Übergangs beschreiben. Mit Hilfe dieser analogie läßt sich die maximale Ausdehnung der Raumladungszone Wm im Halbleiter ermitteln, die mit dem Eintritt der starken Inversion erreicht wird. Sie beträgt bei UG=0V eine Bandverbiegung. - durch die Existenz von Grenzflächenzustände Qss in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze Halbleiter-Isolator sowie Ladungen innerhalb des realen Isolators, die ebenfalls den Ladungshaushalt beeinflussen. (7) Eine wichtige Größe einer MOS-Kapazität ist die Schwellspannung, d.h. die Gatespannung, die angelegt werden muß, um eine Inversionsschicht herauszubilden. In einem MOS-Transistor Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 11 10 Oberflächenzustände und andere Ladungen. In praktisch allen Isolator - Halbleiter - SysKontaktspannung. temen treten zusätzliche Ladungen auf , die einen nicht unerheblichen Einfluß auf die C-U- Im thermodynamischen Gleichgewicht Kurve haben können. Sie lassen sich wie folgt unterteilen: existiert auf Grund der unterschied- - Ionen im Isolator (eventuell beweglich); lichen Lage der Ferminiveaus im Me- - Fangstellen für Ladungen im Isolator tall und dem Halbleiter eine Kontakt- - Mit dem äußeren elektrischen Feld nicht umladbare Zustände an der Phasengrenze Isolator - Halbleiter (Grenzflächenzustände mit der Ladungsdichte QiS); spannung. Diese Potenzialdifferenz - fällt über dem Isolator und dem Halb- Mit dem äußeren Feld umladbare Grenzflächenzustände mit der Ladungsdichte QSS an der Phasengrenze Isolator - Halbleiter. leiter ab und ruft eine Bandverbiegung nSo an der Phasengrenze Die Existenz dieser Ladungen führt wie im Falle der Kontaktspannung dazu, daß bereits im Isolator-Halbleiter und einen Iso- spannungslosem Zustand eine Bandverbiegung existiert. latorspannungsabfall Uio hervor. Es Im Falle der ersten Ladungsgruppen treten zusätzlich elektrische Instabilitäten der MOS- gilt UK = nSo + Uio. Liegt über der Struktur auf, die sich im wesentlichen in Form von Hysteresen des C-U-Verlaufes äußern. MOS-Kapazität zusätzlich eine Span- Diese können zwei Ursachen haben. Im ersten Fall wird durch den Transport beweglicher nung an so erhält man an Stelle von Ionen im elektrischen Feld der Isolatorschicht eine Verschiebung des Ladungsschwerpunktes (3) den Ausdruck hervorgerufen, welcher zu einer Verschiebung der Flachbandspannung führt. Im zweiten Fall erfolgt dies durch die Veränderung der Ladung im Oxid durch Einfangen von freien La(11) Aus (11) folgt, daß das eine von Null verschieden Kontaktspannung die dungsträgern, die durch den Isolator transportiert werden. Abb.5 Abhängigkeit der Austrittsarbeitsdifferenz vom Kontaktmaterial und der Substratdotierung Flachbandspannung UFB und damit Abhängig vom Charakter der nicht umladbaren Zustände gelten folgende Verhältnisse: Oberflächenzustand die Schwellspannung eines MOS-Transistors um den Wert -UK auf der Spannungsaxe ver- Donatorcharakter Akzeptorcharakter (QiS > 0) (QiS < 0) schiebt. Die Kontaktspannung ist unabhängig von der äußeren Spannung und hängt nur von den Materialkombinationen Gatekontakt - Halbleiter ab. Da die Halbleiteraustrittsarbeit nS= P n-Halbleiter Anreicherung Verarmung, Inversion + Eg/2q ± nB (- für n-Halbleiter, + für p-Halbleiter) vom Ferminiveau des Halbleiters und damit p-Halbleiter Verarmung, Inversion Anreicherung von der Dotierung abhängt ist die Kontaktspannung (UK=q@nms) ebenfalls eine Funktion der Dotierung. Die Abhängigkeit der Austrittsarbeitsdifferenz vom Kontaktmaterial und der Halbleiterdotierung ist in Abb.5 dargestellt. Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 13 12 Grenzflächenzustände Wahrscheinlichkeit, ob ein zustand mit fester Ladung mit der geladen oder neutralisiert ist, von der Dichte NiS (Ladungsdichte Fermi-Funktion ab. Die Dichte der QiS) Flach- Zustände je Fläche und Energie hängt bandspannung. Da ihre La- von der Materialkombination und der dung unabhängig von der Herstellungstechnik angelgten Spannung ist füh- Halbleiter-Systems ab und beträgt im ren sie zu einer Parallelver- SiO2 - Si - System etwa 1011 bis 1013 schiebung der CU-Kurve cm-2. Ändert sich durch die äußere einer idealen MOS-Kapazität Spannung UG die Bandverbiegung entlang der U-Achse ohne )nS, so verschiebt sich die Verteilung NSS gegenüber dem Fermi-Niveau. Dabei ändert sich die ihre Form zu verändern (- Ladung )QSS=q@)N SS. Das wirkt so, als würde die Kapazität CSS=)QSS/)nS umgeladen. In der Die ändern Abb.6). die Unter Be- rücksichtuigung der Kon- Abb.6 Einfluß von nicht umladbaren festen Grenzflächenzuständen auf die C-U-Kurve einer MOS-Kapazität: (a) p-Halbleiter, (b) n-Halbleiter. des IsolatorAbb.7 Verläufe der Hochfrequenz C-U-Kurve einer MOS-Kapazität ohne (1) und mit (2) umladbaren Oberflächenzuständen C-U-Kurve äußert sich dies in einer Veränderung des Anstieges der C-U-Kurve (Abb.7). In der Halbleiter Technologie werden Grenzflächenladungsdichten QSS+QiS < 1010cm-2 angestrebt. taktspannung und der und der Konzentration der nicht umladbaren Oberflächenzuständen beträgt die Flachbandspannung 2.2.4. Ladungstransport und Stromdichte-Feldstärke-Messungen an einer MOS-Struktur dann (12) Für ideale Isolatoren gilt das kein Stromfluß möglich ist. In realen Isolatoren, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und starken elektrischen Feldern, fließt jedoch ein nicht zu ver- Umladbare Grenzflächenzustände werden durch die Oberflächenzstandskapazität CSS cha- nachlässigender Strom durch die dielektrische Schicht. Folgende Stromflußmechanismen rakterisiert. In den Grenzflächenzuständen, die auch über das verbotene Band, also, energetisch können eine Rolle spielen: verteilt sind, "haften" bewegliche Ladungen. Die Zustände haben entweder Donator- oder Ak- - Schottkyemission; zeptorcharakter. Akzeptorzustände sind entweder neutral oder nehmen ein Elektron auf und - Pool-Frenkelsche-Emission: laden sich dabei negativ, Donatorzustände hingegen sind entweder neutral oder geben ein - Fowler-Nordheim-Tunnelung oder Feldemission; Elektron ab und nehmen dabei eine positive Ladung an. Wie der Bandbesetzung hängt die - Diffusionsströme; - Ohmsche Leitfähigkeit; - Ionenleitfähigkeit. Im Falle von Siliziumdioxid spielt insbesondere bei dünnen Schichten und bei genügend hohen Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 15 14 Feldstärken die Fowler-Nordheim-Tunnelung eine nicht zuvernachlässigende Rolle. Neben den Durchbruchsladung QBD bezeichnet. Die Durchbruchsladung QBD wird bestimmt in dem mit negativen Effekten dieses Ladungstransfers, wie Oxiddegradation und Ladungsverlust in einer Konstantstromquelle eine Stromdichte J einstellt und die Zeit tBD bis zum Durchbruch Speicherbauelementen, wird dieser Effekt zu programmieren von Speicherbauelementen mißt. Die Durchbruchsladung ergibt sich dann aus der einfachen Gleichung genutzt. Die irreversiblen Effekte, die beim Stromfluß durch den Isolator auftreten begrenzen (14) jedoch die Anzahl der Be- und Entladezyklen. Der Fowler-Nordheim-Effekt beruht auf dem Durchtunneln einer Dreiecksbarriere, die von der SiO2-Schicht gebildet wird, durch die Elektronen bei genügend hohen Feldstärken 3. Aufgaben zur Vorbereitung (Abb.8). Der Fowler-Nordheim-Strom steigt mit wachsender Feldstärke E steil an [3]. Für die Stromdichte J gilt: 3.1. Skizzieren Sie eine Schaltung zur Messung der spannungsabhängigen MOS-Kapazität (HF-Fall). (13) 3.2. mit B1= (q @me)/(16@B²@£@m @MB) und 3 * B2= 4(2@m ) @ * 1/2 Berechnen Sie die Abhängigkeit der Flachbandkapazität und von Cmin einer idealen MOS-Struktur von der Grunddotierung des Substrates. /(3@q@£) ,wobei MB3/2) £ = h/2B mit h als Planckschen Wir- 3.3. Berechnen Sie die theoretische Fowler-Nordheim-Kennlinie für Elektroneninjektion kungsquantum, me die Elektronen- vom Substrat (positiver Pol an der Metallelektrode) und vom Aluminium (negativer Pol masse und MB die Barrierenhöhe sind. an der Metallelektrode) eines MOS-Kondensators. Die zu verwendenden Die Größen m und MB sind ma* terialspezifische Größen. Wird die Fowler-Nordheim-Kennlinie einer Abb.8 Schematische Darstellung des Stromflusses während des Fowler-Nordheim-Tunnelung aus dem Metall in den Halbleiter Materialkenngrößen sind m*=0.5 me, MB(Si-SiO2)=2.96 eV, MB(Al-SiO2)=3.17 eV. Für die Feldstärke müßte die an der Kathode auftretende Feldstärke (Oxidfelstärke) MOS-Struktur bei der Polarität auf- eingesetzt werden, für die die Differenz der Austrittsarbeiten und die Bandverbiegung genommen, bei der das Si-Substrat in Inversion ist, so geht diese in ohmsches Verhalten über, im Halbleiter als Korrekturen zu berücksichtigen sind. Zur Vereinfachung ver- wenn der Spannungsabfall im Halbleiter überwiegt, d.h. der Tunnelstrom wird durch die La- nachlässigen Sie dies und setzen einfach E=U/dSiO2. dungsträgerkonzentration im Halbleiter begrenzt. Durch eine zusätzliche Ladungs- Tragen Sie die Ergebnisse: (1) in halblogarithmischer Darstellung in der Form trägergeneration mit einer Lichtquelle kann der Übergang vom Tunnelstrom zum ohmschen J=f(E) auf, (2) in der aus Gleichung (13) abzuleitenden Form ln(J/E2)=ln(B1)-B2/E, der Verhalten zu höheren Stromdichten und damit zu höheren Feldstärken hin verschoben werden. Fowler-Nordheim-Darstellung auf. Die Fowler-Nordheim-Kennlinie einer SiO2 - Schicht endet mit dem irreversiblen elektrischen Durchbruch, dem die Durchbruchsfeldstärke EBO entspricht. Die insgesamt bis zum Durchbruch durch die SiO2 - Schicht fließende Ladung wird als Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 17 16 4. Praktikumsaufgabe mittelten Kennlinie und der theoretisch berechneten Fowler-Nordheim-Kennlinie. Die C-U-Messungen erfolgen mit Hilfe einer abgeschirmten Meßkammer, wobei die Meßspitze auf Kontaktfläche des MOS-Kondensators aufzusetzen ist. 5. Literatur Die J-E-Messung wird in einer weiteren abgeschirmten Meßkammer, die es erlaubt sehr niedrige Ströme zu registrieren durchgeführt. [1] R. Paul Halbleiterdioden; Verlag Technik Berlin, 1976. Beide Messungen erfolgen nach Anweisungen des Betreuers. [2] S.M. Sze Physics of Semiconductor Devices; John Wiley & Sons, New York e.a., 1981. Die folgende Praktikumsaufgaben sind zu lösen: [3] M. Lenzinger and E.H. Snow Fowler-Nordheim Tunneling into Thermally Grown SiO2, 4.1. Nehmen Sie die C-U-Kennlinie Ihrer Teststruktur auf und Bestimmen Sie aus ihr: - die Art der Dotierung aus der Kurvenform der aufgenommenen CU-Kurve. - die Dicke der Oxidschicht dSiO2 auf dem Si-Substrat aus der Messung von Cmax. Die J. Appl. Phys., 40 (1969) 278-283. [4] S. Pfüller Halbleitermeßtechnik; Verlag Technik Berlin, 1976. Fläche der Kapazität beträgt A=2.7×10-3 cm2. Die spezifische Dielektrizitätskonstante des Siliziumdioxids beträgt gSiO2=3.8 und go=8.854×10-12 F/m. - die Grunddotierung des Substrates aus dem Wert von Cmin der HF-Kapazitätsmessung. Die spezifische Dielektrizitätskonstante des Siliziums beträgt gSi=11.7. - ermitteln Sie die Flachbandspannungsverschiebung )UFB und aus ihr die Dichte der Oberflächenzustände NiS bei U=UFB. Die Austrittsarbeit des Aluminiums beträgt 4.10 eV. Die Elektronenaffinität des Siliziums beträgt 4.15 eV. 4.2. Berechnen Sie die Schwellspannung UT eines auf der Basis dieser MOS-Kombination realisierten Feldeffekttransistors und diskutieren Sie die Methoden der Schwellspannungsbeeinflussung. 4.3. Nehmen Sie die Fowler-Nordheim-Kennlinie für positive und negative Polung des MOSKondensators auf interpretieren Sie die Unterschiede zwischen der experimentell erTechnische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999 Erstellt von Dr.rer.nat. J. Pezoldt Technische Universität Ilmenau, Institut für Festkörperelektromik, Fachgebiet Halbleitertechnologie, © 1996, ® 1999
