4. Theoretische Grundlagen der C(U)-Kurve
4.1.1 Akkumulation (Anreicherung)
5. Kurvenverläufe bei bewußten Störungen
6. Auswertung der manuellen Messung
Wird eine Metallelektrode ( bzw. Elektrode aus dotierten Polysilizium) durch eine isolierendes Oxid (in der Regel SiO2) von einer Halbleiteroberfläche getrennt spricht man MOS-Struktur.
Die folgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer MOS-Kapazität.
Von der Schichtfolge her gesehen setzt sich die Gesamtkapazität aus der in Reihe geschalteten konstanten Oxidkapazizät und der spannungsabhägigen Substratkapazität zusammen.
Zur Durchführung der Messungen wurde am Probermeßplatz eine MOS-Kapazität mit einer Kondensatorfläche von 3 mm² durch einer Probernadel kontaktiert.
An dieser MOS-Struktur wurden folgende C(U)-Messungen durchgeführt:
Die Parameter des CV-Analysers 590 zur manuellen Aufnahme der C(U)-Kurve können den Praktikumsunterlagen entnommen werden.
Bei der Messung wurde das Meßobjekt durch eine Abdeckung abgedunkelt. Dadurch wurden elektrische Störungen und ungewollter Lichteinfall abgeschirmt.
Die Beleuchtung vor Aufnahme der Rückkurve und die Störungen der Messung erfolgte durch eine Halogenbeleuchtung.
Zur Ermittlung der C(U)-Kennlinie wird eine Gleichspannung, die mit eine hochfrequenten überlagert ist, an den MOS-Kondensator angelegt. Die Gleichspannung dient zur Erzeugung der verschiedenen Zustände. Aus der überlagerten Wechselspannung (A = 0,01 V, f = 1 Mhz) kann über den komplexen Widerstand die Kapazität bestimmt werden.
Bei der Messung der Hinkurve wird die Spannung nicht kontinuierlich verändert sondern die Spannung wird nach definierten Spannungsimplusen wieder auf das Potential -5 V gelegt. Dadurch wird die Bildung eines n-Kanals während der Messung verhindert.
Die Rückkurve wird mit kontinuierlich sinkenden Spannungen ermittelt. Dabei kann sich in der Verarmungsschicht des Halbleiters stets ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellen.
Wegen der parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Meßanordnung muß das Meßergebnis korrigiert werden. Dies geschieht im vorliegenden Fall durch den C(U)-Analyser.
4. Theoretische Grundlagen der C(U)-Kurve
An der MOS-Kapazität lassen sich folgende vier halbleiterphysikalische Zustände unterscheiden:
4.1 Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.1.1 Akkumulation (Anreicherung)
Am Gate liegt eine negative Spannung gegenüber dem p-dotierten Si-Substrat. Die Defektelektronen (Löcher) lagern sich infolge der Coulombkräfte (Anziehung) an der Grenzfläche Si/SiO2 an. Am Interface Al/SiO2 sammeln sich dagegen Elektronen an.
Im Bändermodell bewirkt eine negative Spannung am p-dotierten Si-Substrat eine Verbiegung der Valenzbandkante und der Leitungsbandkante nach oben. Das Ferminiveau im Halbleiter bleibt konstant, da im Gleichgewichtsfall in der MOS-Struktur keine Ströme fließen. Durch die Verbiegung des Valenzbandes wird die Differenz zwischen Ferminiveau und Valenzbandkante verringert und die Dichte der Majoritätsträger (Defektelektronen) erhöht.
Für n-dotiertes Si-Substrat verhält sich diese Anreicherung genau umgekehrt.
Diese Struktur verhält sich wie eine Kapazität COX mit dem Oxid als Dielektrikum.
Am Gate liegt eine positive Spannung gegenüber dem p-dotierten Si-Substrat. Infolge der Coulombkräfte werden die Defektelektronen vom Si/SiO2-Interface in das Substrat zurückgedrängt. Dadurch entsteht an der Grenzfläche Si/SiO2 eine isolierende Raumladungszone mit nichtbeweglichen negativen Ladungsträgern (Dotieratomionen).
Wegen der positive Spannung verbiegen sich im Bändermodell die Valenzbandkante und die Leitungsbandkante nach unten. Durch das Verbiegen der Valenzbandkante wird die Differenz zwischen konstantem Ferminiveau und Valenzbandkante erhöht, was eine Verringerung der Majoritätsträgerdichte an der Si/SiO2-Grenzfläche zur Folge hat.
Für n-dotiertes Si-Substrat verhält sich die Verarmung genau umgekehrt.
Die Gesamtkapazität der MOS-Struktur verhält sich nun wie eine Reihenschaltung der Oxidkapazität und der Kapazität der Raumladungszone (Raumladungszone wirkt als Dielektrikum). Wobei die Weite der Raumladungszone und somit auch die Kapazität von der angelegten Spannung U abhängt.
Die Gesamtkapazität Cges ist somit kleiner als die Oxidkapazität COx.
Wird die Spannung U weiter erhöht, so verbiegen sich die Energiebänder noch weiter nach unten. Ist die Fermienergie in der Mitte der Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzbandkante, so ist die Besetzungswahrscheinlichkeit für Elektronen (LB) und Defektelektronen (VB) gleich. Die Besetzung von Niveaus an der Grenzfläche SiO2/Si ist damit möglich. Es stehen aber keine Elektronen zur Besetzung zur Verfügung.
Diese können aber durch Lichteinfall (Beleuchtung der Rückkurve) generiert werden. Dabei kommt es zur Ausbildung eines n-leitenden Kanals (Inversionsschicht).
Eine Inversionsschicht kann auch durch das intrinsische Ferminiveau entstehen. Das intrinsische Fermininiveau an der Grenzfläche liegt dabei unter dem Feminiveau. Die Konzentration der Minoritätsträger (Elektronen) im p-Substrat ist größer als die der Majoritätsträger. Es entsteht eine Inversionsladung.
Diese Inversionsladung ,die durch langsame Generations- und Rekombinationvorgänge entsteht und verschwindet, liefert bei der Hinkurve keinen Betrag zum Meßsignal. Es kann entweder dem hochfrequenten Meßsignal nicht bzw. nur ungenügend folgen bzw. wird durch die gepulste Meßspannung der Hinkurve unterdrückt.
Die Spannung bei der die Bandverbiegung das Entstehen einer Inversionschicht ermöglicht nennt man Einsatzspannung Uth.
Für n-dotiertes Si-Substrat verhält sich die Inversion genau umgekehrt.
Durch den leitenden Kanal ändert sich die Gesamtkapazität nicht mehr bei Erhöhung der Spannung, da das elektrische Feld im Halbleiter durch den Kanal abgeschirmt wird bzw. eine Spannungserhöhung nur eine Verschiebung der Raumladungszone mit konstanter Kapazität bewirkt.
Die konstante Gesamtkapazität setz sich aus der Reihenschaltung von Oxidkapazität und Kapazität der Raumladungszone bei der Spannung Uth zusammen. Diese Kapazitäten sind durch eine leitende Schicht (Inversionskanal) miteinander verbunden.
Diese Gesamtkapazität Cges wird auch Inversionskapazität CINV genannt.
4.1.4 Deep Depletion (tiefe Verarmung)
Die angelegte positve Gatespannung gegenüber dem p-dotierten Si-Substrat ist größer als die Inversionsspannung. Die Ausbildung eines n-leitenden Kanals wurde jedoch verhindert (Hinkurve). Dadurch ergibt sich keine abschirmende Wirkung und die Raumladungszone kann weiter erweitert werden.
Die Gesamtkapazität C ges nimmt weiter ab.
Die Spannung, die angelegt werden muß, damit keine Verbiegung der Bänder auftritt bezeichnet man als Flachbandspannung UFB.
Bei einem idealen Oxid liegt diese Spannung bei 0 V. Im realen Oxid liegt diese im negativen Spannungsbereich. Damit werden positve Oxidladungen kompensiert.
Aus den vorhergehenden Ausführungen für ein ideales Oxid ergibt sich folgender Kurvenverlauf:
Die Abweichungen vom dielektrischen Verhalten einer SiO2-Schicht sind auf gebundene oder bewegliche Ladungsträger im Oxid zurückzuführen. Dabei können folgende Arten von Oxidladungen unterschieden werden:
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Diese Ladungen sind fest an das Interface Si/SiO2 gebunden und sind auf unabgesättigte Bindungen an der Grenzfläche zurückzuführen. |
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Dabei handelt es sich um positive Ladungen, die durch unvollständige Oxidation im Übergangsbereich von ca 3 nm entstanden sind. |
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Dies sind feste in Haftstellen (Potentialmulden, traps) eingefangende negative bzw. positive Ladungen. Ihre Enstehung ist auf Strahlungsschäden und ins Oxid getunnelte Ladungsträger zurückzuführen. |
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Diese Alkaliionen, die bei Raumtemperatur sehr beweglich sind, sind durch Ofenprozesse, mangelhafte Reinigung und grobe Handling-Fehler eingebracht worden. |
Die Auswirkungen der Oxidladungsarten Qit, Qf können durch die C(U)-Messung bestimmt werden. Der gesamte Kurvenverlauf wird beim vorhandenen positiven Ladungen nach links verschoben( in den negativen Spannungsbereich). Dadurch ergeben sich andere Flachband- und Einsatzspannungen. Der Unterschied zwischen idealer und realer Flachbandspannung ist also ein Maß für die Kontamination und somit ein Beurteilungskriterium für die Oxidqualität.
Durch Temperaturstreßbedingungen können die beweglichen Ladungen und Alkaliionen (Qm) zum Interface bewegt werden. Damit ist durch die C(U)-Messung eine Möglichkeit gegeben diese speziellen Ladungen quantitativ zu erfassen.
5. Kurvenverläufe bei bewußten Störungen
Dieser Effekt ist auf dem beiliegenden Kurvenplot nur sehr schwach zu erkennen.
Der kritische Spannungsbereich ist erreicht, wenn die Kapazität der Raumladungszone eine Rolle spielt. Die Flachbandspannung wird in positiver Richtung überschritten.
6. Auswertung der manuellen Messung
Bei den durchgeführten Messungen konnten keine Störungen bzw. Meßfehler festgestellt werden. Nur eine andere MOS-Kapazität wurde kontaktiert, da bei der ersten immer im selben Spannungsbereich eine Kapazitätserhöhung auftrat, welche nicht erklärt werden konnte.
Bei der Durchführung wurden folgende Schwachpunkte des Meßaufbaus festgestellt:
karl@vlsi.bu.edu, 11.09.98