Budapeti Műzaki é Gazdaágtudományi Egyetem Elektroniku Ezközök Tanzék Szilícium-karbid elektromo minőítée TDK dolgozat zett Andor Konzulen: Mizei Jáno BME, Elektroniku Ezközök Tanzéke Külő konzulen: Légrádi Gábor Semilab ZRt, Dielektrikum oport Budapet, 2011. November
-2-
-3- Tartalomjegyzék Tartalom Jelöléjegyzék... 5 1 Bevezeté... 7 2 A zilícium-karbid általáno tulajdonágai, alkalmazáai... 8 2.1 Szilícium-karbid a mindennapokban... 8 2.2 Szilícium-karbid a mikroelektronikában... 9 3 V-Q é -V méré zilíciumon... 11 3.1 V-Q méré... 11 3.1.1 Töltéfelvitel koronakiüléel... 11 3.1.2 Rezgőelektródá (Kelvin-féle) mérőfej... 12 3.1.3 A V-Q görbe jellegzeteégei... 13 3.1.4 Méré ötétben é megvilágítáal... 14 3.2 -V méré... 15 3.2.1 A hagyományo -V méré... 15 3.2.2 Higany -V... 16 3.2.3 MIS -V méréek... 17 3.2.4 Schottky -V méré... 19 4 -V é V-Q méré elméleti háttere... 21 4.1 A Poion-egyenlet megoldáa... 21 4.2 Felületi állapotok hatáa a V-Q é -V mérére... 26 5 V-Q é -V méréek zilícium-karbidon... 29 5.1 Változáok a zilíciumhoz képet... 29 5.2 Felhaznált minták... 30 5.3 V-Q méréek eredményei... 30 5.4 Hg-V méréek eredményei... 33 5.4.1 Schottky méréek eredménye zilícium-karbid mintákon... 33 5.4.2 MOS méréek eredménye zilícium-karbid mintákon... 34 6 Szilícium-karbid méréek a Q-V módzerrel... 36
-4-6.1 A Q-V méréek elmélete... 36 6.2 A Q-V méréek eredményei... 38 7 További tervek, lehetőégek... 42 8 Özefoglalá... 43 9 Irodalomjegyzék... 44 10 Függelék... 45
-5- Jelöléjegyzék c fényebeég vákuumban m/ c n elektronbefogái valózínűég cm3/ c p lyukbefogái valózínűég cm3/ MOS MOS truktúra kapacitá F/m 2 h öntkapacitá F/m 2 x zórt kapacitá F/m 2 w vezetékkapacitá F/m 2 ilf oro referenciakapacitá F/m 2 LF kifrekvenciá kapacitá F/m 2 HF nagyfrekvenciá kapacitá - F/m 2 félvezető ávhajláából eredő felületi kapacitá F/m 2 ox oxid/dielektrikum kapacitá F/m 2 depl kiürített réteg kapacitá F/m 2 diff differenciáli kapacitá F/m 2 tat tatiku kapacitá F/m 2 FB félvezető flat-band kapacitáa F/m 2 FB telje truktúra flat-band kapacitáa F/m 2 D it felületi állapotűrűég 1/cm 3 ev ΔE ox térerőégváltozá az oxidban/dielektikumban V/m h Planck-állandó ev*fec k Boltzmann-állandó K relatív dielektromo állandó 1 n i intrinic töltéhordozó koncentráció 1/cm3 N A akceptorűrűég 1/cm3 N D donorűrűég 1/cm3 n(x) elektronelozlá félvezetőben p(x) lyukelozlá félvezetőben q elektron tölté Q felületi tölté Q total öze tölté ΔQ i töltéváltozá a belő mérőponton ΔQ MOS töltéváltozá a MOS kapacitáon ΔQ w töltéváltozá a vezetékkapacitáon ΔQ ilf töltéváltozá a oro referenciakapacitáon
-6- t ox oxid/dielektrokum rétegvatagág m T hőméréklet K V i belő, mért fezültég V V O külő, rábocátott fezültég V w felülettől mért mélyég m W g tiltott áv zéleége ev x felülettől mért mélyég m ε 0 vákuum dielektromo állandó A/Vm ε ox oxid/dielektrikum dielektromo állandó A/Vm ε félvezető dielektromo állandója A/Vm Φ bulk bulk potenciál V λ hullámhoz m λ p extrinic Debye-hoz m Ψ felületi ávelhajlá V Ψ 0 felületi ávhajlá 0 V gatefezültég eetén V Ψ(x) Φ(x) töltéhordozó potenciál félvezetőben V Ψ B ávhajlá a bulkban V Ψ T tömbi capdapotenciál V δ(x) töltéhordozó elozlá félvezetőben τ n elektronélettartam τ p lyukélettartam τ r relaxáció idő Megjegyzé: A TDK munkában a megjelenő kapacitá jelöléek jellemzően fajlago kapacitát takarnak. Ez alól kivételt képeznek a közölt méréi eredmény diagramok, ahol ténylege kapacitáok zerepelnek, illetve a 7.1-7.8 egyenletek.
-7-1 Bevezeté A gyártátechnológia fejlődée zükégzerűen magával hozza, hogy a mérétechnikának i fejlődnie kell, különben az új ezközök minőítée, ill. a kéőbbi orozatgyártá felügyelete nem lenne megfelelően biztoított. A Semilab ZRt egyre több különböző érintée é érintémente technológiát kínál a különböző félvezető truktúrák jellemző paramétereinek méréére. Manapág egyre több egykritályo zilíciumtól eltérő félvezető anyagot haználnak, főleg, ha valamilyen peciáli alkalmazái területre gyártanak elektroniku ezközöket. Ilyenek pl. a gyoran fejlődő kijelző ipar zámára a vegyületfélvezetők, főleg a galliumnitrid (GaN) é a teljeítményezközök zámára a zilícium-karbid (Si). A zilíciumkarbid mérétechnika közel em annyira kiforrott é imert, mint a zilíciumé. TDK munkám célja ennek megfelelően a jelenlegi mérétechnikák alkalmazhatóágának vizgálata zilícium-karbidon. Munkám orán a Semilab által fejleztett é gyártott mérőberendezéeket haználtam; a V-Q méréekhez a WT-2000 platformot é a WinTau zoftvert, a Hg-V méréekhez az MV-530 é MV-2500 platformot é a Winap zoftvert. Mindezek bemutatáa előtt zeretnék rövid áttekintét adni a zilícium-karbid jelenlegi alkalmazáairól, majd a félvezetőipar napjainkban i zéle körben alkalmazott V-Q é -V mérétechnikáiról é röviden az azok mögött álló elméletről. Ezek imeretében mutatom be a zilícium-karbidon végzett néhány jellemző méré eredményeit, illetve az elméletre alapozva értékelem, hogy milyen eltéréek, hátrányok vagy előnyök mutatkoznak a zilíciumon végzett méréekhez képet. A V-Q méréek eetében új kiértékeléi módzert i ki kellett fejlezteni, a dolgozatban ezt i bemutatom.
-8-2 A zilícium-karbid általáno tulajdonágai, alkalmazáai A termézetben megtalálható zilícium-karbid, má néven moizanit, nagyon ritka, mindöze cak néhány meteorit maradványaiban található meg. A világon felhaznált öze zilícium-karbid meterége eredetű, még az áványként áruítottak i. Termézete formájában előzör 1893-ban Dr. Ferdinand Henry Moian talált ki mennyiégben Arizonában a anyon Diablo meteoritban. Az ő nevét rejti a moizanit elnevezé. 2.1 Szilícium-karbid a mindennapokban A zilícium-karbid előállítáa 2000 -nál magaabb hőmérékleten kvarchomokból (zilícium-dioxid SiO 2 ) é kokzból (tizta zén - ) történik (1.1). SiO 3 Si 2O 2 (1.1) 4H-Si 6H-Si Si Gyémánt Tiltott áv zéleége [ev] 3,26 3,02 1,12 5,45 Olvadápont [ ] >2800 (zublimáció) >2800 (zublimáció) 1410 >1500 (grafitizáció) Elektronmozgékonyág [10-4 m 2 /V] 900 600 1400 2200 Lyukmozgékonyág [10-4 m 2 /V] 40 40 600 1600 Villamo zilárdág [10 8 V/m] 2,2 2,5 0,3 10 Termiku vezetőképeég [W/m K] 490 490 150 2000 Szaturáció drift ebeég [10 5 m/] 2,7 2 1 2,7 Relatív dielektromo állandó 10 9,7 11,8 5,5 Moh keményég 9,2-9,3 9,2-9,3 7 10 1. táblázat - 4H é 6H-Si fontoabb paraméterei; özehaonlítáképp zerepel a Si é a gyémánt [2][6]. Jól látható, hogy a Si bizonyo tulajdonágai félvezetőkhöz, máok zigetelőkhöz haonlít. A tizta, meterégeen előállított zilícium-karbid, má néven karborundum a kovalen karbidok közé tartozik, ráczerkezete nagyon haonló a gyémántéhoz, az atomok p 3 kovalen kötéekkel kapcolódnak egymához. A kovalen kötéek miatt nagyon kemény é ellenálló anyag, ezért i alkalmazzák pl. nagyteljeítményű fékrendzereknél a féktárcák anyagaként (imertebb nevén karbonzála féktárca), golyóálló mellények betétjeiben, ill. horgázbotok damilvezető gyűrűiben a gyűrű belő felén, ahol a damil úrlódik.
-9-2.2 Szilícium-karbid a mikroelektronikában A zilícium-karbid elektromo alkalmazáairól 1907-ből zármazik az elő feljegyzé, amikor a félvezető zilícium-karbid elektroluminezcen tulajdonágairól zámoltak be. A XX. zázad orán nagyon változó volt ezen anyag fontoágának é alkalmazáának megítélée, ezáltal a megimeréére irányuló kutatáok intenzitáa i. Ahogyan az emberiég egyre jobban fezegeti a technikai ezközeinek határait, egyre inkább zükég van zélőége vizonyok között i - pl. maga hőméréklet, ionizáló háttérugárzá - tabilan működtethető megbízható elektronikai ezközökre. Ilyen alkalmazáok pl. az űrtechnika zámára elengedhetetlenül fontoak, főleg, hogy a roboztuág mellett a ki hely é tömeg i fonto zerepet játzik. A nagyteljeítményű elektroniku ezközök általában aját méreteiknél jóval nagyobb hűtőbordákat igényelnek az optimáli hőmérékleten történő működé biztoítáa céljából, így ha ikerül maga hőmérékleten i tabilan működő elektronikát gyártani, azzal megpórolható a hűtéből adódó pluz térfogat é tömeg. A zilícium alapú elektronikák működéi hőmérékletének maximuma olyan 150-175 körül van, attól függően, hogy milyen technológiával kézült az adott kézülék. Ezen hőméréklet felett a diffúzió folyamatok felgyoruláa miatt az ezköz élettartama rohamoan cökken. A zilícium-karbid alapú elektronikák képeek akár 5-600 -on i tabilan működni. A Si rendkívül jó hővezető képeége i előegíti a magaabb teljeítményű működét. A zilícium-karbid máik fonto felhaználái területe az optoelektronika. Nagy tiltott ávjának közönhetően (kb. 3 ev kritályzerkezettől függően) 400 nm körüli fény kibocátáára alkalma kék, ill. UV LED-ek é lézerek alapjául i zolgál. Nagyon maga hőmérékletre (kb. 2300 ) történő hevítékor a zén kiválik a zilícium-karbidból é grafént hoz létre, tehát irányított körülmények között alkalma akár grafén előállítáára i. A zilícium-karbidnak 250-nél i több különböző kritálytípua, ún. politípua létezik. A kritálytani eltéréből adódóan a fizikai paraméterekben, mint pl. Young-modulu, rácállandó, tiltott áv zéleége, dielektromo állandó i eltérét mutatnak (1. táblázat). A gyártátechnológiában azonban cak kevé kritálytípu terjedt el, ezek a 2H, 3
-10- (beta-si), 4H é 6H (alfa-si). Napjainkban a legelterjedtebb a 4H é közel haonlóan elterjedt a 6H truktúra. A politípuokról bővebben ír [9].
-11-3 V-Q é -V méré zilíciumon Az itt bemutatott mérétechnikák a kéőbb alkalmazott méréi eljáráok alapját képező módzerek. Napjainkban, ahol lehet, roncolámente módzereket haználnak, mivel a peciáli rétegek előállítáa költége, nem növelik tovább a költégeket kíérőzeletek árával. A V-Q é -V görbe levezethető a félvezető potenciálterének, é a töltéhordozók elozláának behelyetteítéével a Poion-egyenletből. A rézlete levezetéről a kéőbbi fejezetben rézleteen lez zó. Jelen fejezetben a V-Q é -V mérét, illetve a megfelelő görbéket é a mögötte levő fizikai folyamatokat heuriztikuan imertetem. 3.1 V-Q méré 3.1.1 Töltéfelvitel koronakiüléel A V-Q méré nagy előnye, hogy érintémente elektromo minőítő módzer. A méré orán ún. koronakiülée töltéfelvitel egítégével vizünk egyre nagyobb mennyiégű töltét a félvezető zeleten található dielektrikum felületére. Az elektromo neutralizáció a földeléen kereztül a zubztrátban felgyűlő azono mennyiégű töltéel valóul meg. Minél nagyobb a felületen lévő töltémennyiég, é ennek megfelelően a zubztrátban felgyűlő azono mennyiégű, ellentéte előjelű tölté, annál nagyobb fezültég eik a két töltémennyiéget elválaztó MIS (Metal Inulator Semiconductor Fém zigetelő félvezető) truktúrán. Fokozatoan, azono egyégekkel növelve a töltét, pontonként felvehető a V-Q görbe a következő fejezetben bemutatott Kelvin mérőelektródával. A felületre légköri nyomáon vizük fel a töltéeket, ahogy az 1. ábra mutatja. Így a rézeckék zabad úthoza nagyon kici, tehát meglehetően ki mozgái energiával érnek a zelet felületéhez, így a felület roncolámenteen tölthető fel. Az eddigi méréek reprodukálhatóága ezt igazolja, így az iparban a V-Q az egyik legelterjedtebb félvezető-dielektrikum rendzer minőítő eljáráá nőtte ki magát. Az ionforrá elektróda é a zelet között egy árnyékoló lemez található, ami a kibocátott ionokat tereli a zelet megadott területére. A mérét követően a zelet vizakerülhet a gyártái folyamatba egy közbeiktatott zelettiztítá után.
-12-1. ábra - Koronakiülée töltéfelvitel 3.1.2 Rezgőelektródá (Kelvin-féle) mérőfej A Kelvin mérőfej egy rezgő elektródát tartalmaz, a méré elvi elrendezée a 2. ábrán látható. A méré orán az elektróda mintától mért távolága kb. 1 mm, rezgéének amplitúdója é frekvenciája állandó. Ha a felület é az elektróda potenciálja különbözik, akkor a rezgé hatáára váltóáram indukálódik. Az elektróda potenciálját (V) változtatva kereük a rajta folyó minimáli áramot. Ekkor a Kelvin-fej potenciálja a felület potenciálját adja. 2. ábra - Kelvin-féle rezgőkondenzátoro mérőfej
-13-3.1.3 A V-Q görbe jellegzeteégei 3. ábra Ideáli (lila) é mért (zöld) V-Q görbe Az ideáli V-Q görbe gyakorlatilag két függvény repluz özegeként írható fel. Egyrézt van egy lineári függvény, ami az oxidkapacitát írja le. Lényegében tiztán ez írja le az akkumuláció é inverzió zakazt.emellett van egy nemlineári függvény, ami a kiürített réteg változó tértölté kapacitáát írja le. Ezen két függvény repluz özege adja az 3. ábrán látható ideáli V-Q görbe inverzió é akkumuláció közötti kiürítée zakazát (lád alább). 4. ábra - A félvezető felület közelében a töltéek elhelyezkedée (a) akkumuláció, (b) kiürülé é (c) inverzió eetén p-típuú zeletnél.
-14- A V-Q méré közben a mérendő MIS (Metal-Inulator-Semiconductor) rendzer állapotait a 4. ábra mutatja zemléleteen. A félvezető többégi töltéhordozóival (p típu eetében pozitív lyukak, n típu eetében zabad elektronok) ellentéte töltét juttatva a dielektrikumra, a többégi töltéhordozók felhalmozódnak a félvezető felületén. Ezt a zakazt hívjuk akkumuláció (4/a ábra) tartománynak. Ebben a zakazban az elektromo tér a félvezetőbe nem tud behatolni. Amennyiben a dielektrikumra a többégi töltéhordozókkal azono töltét vizünk fel megfelelően nagy mennyiégben, akkor a félvezető felület közelében a kiebbégi töltéhordozók többégbe kerülnek a félvezetőbe behatoló nagy elektromo térerő hatáára é imét egy vékony rétegben elhelyezkedve emlegeítik az újabb é újabb lépéekben felvitt töltét. Ezt a zakazt hívjuk inverzió (4/c ábra) zakaznak. Mivel a lépéenként felvitt töltéeket akkumuláció é inverzió eetében a félvezető felület közelében egy vékony rétegben felgyűlő töltéek emlegeítik, a V-Q görbe ezen zakazai lineáriak, é meredekégük az dielektrikum vatagágát, vagyi kapacitáát ( ox ) jellemzi. Az akkumuláció é az inverzió között található a kiüríté tartománya, amikor korlátozott mennyiégben a többégi töltéhordozókkal azono töltéeket vizünk a dielektrikumra. Ekkor a félvezető felülete közeléből a zabad többégi töltéeket eltávolítjuk, a tér behatol a félvezetőbe, de még nem elég nagy ahhoz, hogy a kiebbégi töltéek többégbe kerülheenek a felületnél. A lépéenként felvitt töltéeket a kiürülé (4/b ábra) egyre vatagodó tartományában maradó ionizált adalékatomok töltée emlegeíti. Ekkor tehát a dielektrikum kapacitáához oroan kapcolódik a félvezető kiürített rétegének kapacitáa ( ) i (4.1). Ennek megfelelően a V-Q görbe ezen a zakazon meredekebb a 4.1 egyenletnek megfelelően. depl ox ox (4.1) Az ideáli é a mért görbe özevetéével határozhatjuk meg a különböző oxidban lévő töltéek mennyiégét, határfelület (interface) minőégét. 3.1.4 Méré ötétben é megvilágítáal A felvitt tölté é a zelet vezetéi típuának függvényében a zigetelő réteg alatt a félvezetőben akkumuláció, kiürülé, ill. inverzió jöhet létre (4. ábra), amely járuléko
-15- tértölté kapacitát eredményez. Tehát ekkor nem cak az oxidkapacitáon eő fezültéget mérjük, hanem a félvezető zelet felületi potenciálgátját i. Egy félvezetőt nagy intenzitáú é megfelelő energiájú (hullámhozú) fénnyel megvilágítva elektron-lyuk párok keletkeznek. Ha a világítá folyamato, akkor flatband állapot (lád kéőbb) alakul ki a félvezetőben, mely a megvilágítá kikapcoláa után megzűnik. Az előzőeket kicit továbbgondolva, ha adott mennyiégű felvitt tölté eetén mérünk fezültéget ötétben, aztán megvilágítáal, akkor azt vehetjük ézre, hogy a két eetben nem ugyanazt a fezültéget mérjük a V-Q görbe egy adott pontjától kezdődően. A megvilágítáal é anélkül mért görbék elágazáánál a félvezető megvilágítá nélkül i flat-band állapotban van (hacak nem különöen roz interface minőégű dielektrikumról van zó). A V-Q méré nem cak zilícium-dioxid, hanem a napjainkban egyre elterjedtebb highk (SiO 2 -nél nagyobb dielektromo állandójú) é low-k (SiO 2 -nél kiebb dielektromo állandójú) dielektrikumrétegek méréére i alkalma. A peciáli dielektrikum anyagok rétegzerkezete é özetétele a gyártók féltve őrzött technológiai titka, ezért a méréek orán ún. EOT-ben (Equivalent Oxide Thickne) zoká megadni ezen anyagok rétegvatagágát. Ez azt jelenti zemléleteen, hogy a mért kapacitának milyen vatag zilícium-dioxid réteg felelne meg. Ebből majd a gyártó kizámíthatja a zámára kellő rétegvatagágokat imerve a technológia é a felhaznált anyagok, rétegek tulajdonágait. 3.2 -V méré 3.2.1 A hagyományo -V méré A módzer lényege, hogy a kialakított oxidhoz, egyéb dielektrikumhoz, vagy magához a félvezető, ill. epitaxiáli réteg felületéhez egy felgőzölt fém elektróda egítégével kapcolódunk, ahogy az 6. ábrán látható. Ezen az elektródán kereztül eltérő D fezültégeket alakítunk ki, é a létrejövő zerkezet differenciáli kapacitáát A gerjeztéel mérjük. Az eljárá roncoláo, mivel a zelet, amin kialakítjuk a méréhez zükége fémelektródát, nem mehet viza a gyártá eetlege további fáziaiba; emiatt nem i
-16- tudunk minden zeletet végigmérni. Mindöze a mért zeletből tudunk következtetni arra, hogy a többi i haonló paraméterekkel bír, mert azono technológiai lépéeken mentek kereztül kb. azono feltételek között é felételezzük, hogy a gyártóor állapota időben cak laan változik. 3.2.2 Higany -V A Hg -V méré népzerűégét annak közönheti, hogy nagyon gyoran létrehozható é megzüntethető a kontaktu. A kontaktut ebben az eetben ugyani egy kapilláriban lévő higany teremti meg a zelettel (5. ábra). A módzer tehát érintée, de a hagyományo -V technikával ellentétben roncolámente é a gyártói ajánlá zerint az eetlege felületi zennyeződéeket egy méré utáni moáal el lehet távolítani, majd a zelet vizakerülhet a gyártá további fáziaiba. Tehát a -V méré minden eddig imertetett tulajdonága vonatkozik erre a módzerre i, cak a féme kontaktu kialakítáában, ill. a mérét érintő felület nagyágában tér el attól, ami Hg-V eetén nagyágrendileg 2 mm átmérőjű kör. 5. ábra Hg-V kontaktu A kontaktu kialakítáa egy légpárná emelőzerkezet é egy emelőkar egítégével történik az MV platformok eetében. A könnyű kapillário mérőfej a kar végén található. A higany nem nedveíti a SiO 2 felületeket, ezért túlnyomá zükége ahhoz, hogy megfelelő legyen a kontaktu. Mivel az elektróda igazodik a felületi egyenetlenégekhez, kiválóan alkalma porózu rétegek minőítéére i, mint pl. az alacony dielektromo állandójú, ún. low-k anyagok. A higany jelenléte környezet- é munkavédelmi problémákat vet fel, mivel a higany alkalmazáát igyekeznek az ipari alkalmazáokban i a lehető legnagyobb mértékben
-17- vizazorítani. Fonto kérdé, hogy a kontaktu megzüntetéekor marad-e higany a zelet felületén, vagy em. Mivel a higany a SiO 2 felületet nem nedveíti, ezért jól beállított kézüléknél elhanyagolható mértékű zennyeződé marad a zelet felületén. Alapvetően kétféle méréi elrendezét különböztetünk meg, attól függően, hogy az elektróda é a zubztrát között van-e dielektrikumréteg, vagy ninc. Amennyiben van dielektrikumréteg, MIS (Metal-Inulator-Semiconductor Fém-zigetelő-félvezető), ill. MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) méréről van zó (5/a ábra), ha ninc, akkor Schottky méréről (5/b ábra).. 6. ábra MIS (a) é Schottky (b) méré kereztmetzeti elrendezée 3.2.3 MIS -V méréek MIS méré eetén megkülönböztetünk ki- é nagyfrekvenciá mérét. Nagyfrekvenciá mérénél a felületi állapotok é a kiebbégi töltéhordozók reagálái ebeége a lényege. Ha nagyon nagy a frekvencia, akkor nem képeek követni a mérőjelet, ezáltal a mért kapacitá értékét nem befolyáolják, ahhoz cak a többégi zabad töltéhordozók járulnak hozzá. Külön nehézég, hogy ezek mindegyike má frekvencián határolja a mérét é mindent befolyáol a ávhajlá mértéke i. A változá ebeégét tekintve megkülönböztetünk laú é gyor felfutáú (ramp rate-ű), ill. impulzuzerű mérét, amikor az egyre nagyobb bia fezültéget lépéenként mindig 0V fezültégről indítva, impulzuzerűen hozzuk létre. Laú méré eetén ún. teady-tate állapotban (kijelű zempontból egyenúlyinak tekinthető) történik a méré. A teady-tate állapotot rézleteen leírja az [1] irodalom 3.1-e fejezete. Gyor változáal lehetége az ún. mélykiürülée (deep depletion) állapot elérée, impulzuzerű méréel zintén mélykiürülé érhető el, továbbá a tatiku átütéi (breakdown) fezültégnél nagyobb fezültégek i alkalmazhatóak a minta
-18- roncoláa nélkül. Azt, hogy a ramp rate-et gyornak vagy laúnak tekintjük, az zintén a töltéhordozók reagálái ebeégétől függ. A 7. ábrán laú ramp rate-tel felvett kifrekvenciá (low frequency - LF) é nagyfrekvenciá (high frequency - HF), ill. egy gyor ramp rate-tel felvett nagyfrekvenciá mélykiürülée -V görbe látható. A kifrekvenciá görbe gyakorlatilag a megfelelő V-Q görbe fezültég zerinti deriváláával kapható. Ettől a nagyfrekvenciá görbe az inverzió tartományban tér el. Ekkor a kiebbégi töltéhordozók hozzájáruláa a gerjeztére adott válazban elmarad, így továbbra i az oxid é a kiürített réteg együtte kapacitáát mérjük, ahol a kialakult inverzió miatt, a kiürülé mélyége maximum értéket vez fel (vízzinte zakaz a pozitív oldalon). A mélykiürülée görbe eetében az inverzió nem i alakul ki, így kiebbégi töltéek egyáltalán nincenek, vagyi a kiürülé folyamatoan növekzik a pozitív fezültég növeléével, é a mért kapacitá cökken. 7. ábra Különböző -V görbék a mérőjel típua zerint. A kapott grafikonból meglehetően ok információt lehet megtudni a truktúra minőégét illetően, mint pl. zelet vezetéi típua, flatband fezültég, oxidkapacitá,
-19- (ekvivalen) oxidvatagág, oxid zennyezettége, interface minőége, oxid zivárgái áram. A kapott értékekből termézeteen ok paraméter még közvetve meghatározható. Az elméleti görbét érdeme ábrázolni a mért görbékkel, mert a mért é a zámítá eredményeként kapott görbe közti eltéré az oxidban található hibákkal zoro özefüggében van. A két görbe között az alábbi különbégek figyelhetők meg: A görbe eltolódik az ideálihoz képet a fezültég tengely mentén. Az eltolódá mértékét tekintjük a flat-band fezültégnek, amiről az oxidban található töltéek mennyiégére lehet következtetni. A kiürülée zakaz meredekége i cökken, vagy akár lokáli púpok jelennek meg az ideálihoz képet. Ebből a felületi állapotok űrűégét (D it ) lehet meghatározni. A felületi állapotokról a kéőbbiekben rézleteebben zó lez. Az akkumuláció zakaz, ill. a kifrekvenciá görbe inverzió zakazának vízzintetől való eltérééből következtetni lehet a dielektrikum zivárgáára. 3.2.4 Schottky -V méré Schottky méréből kapott tipiku görbét a 8. ábra mutatja. Itt mári egy zilícium-karbid mintán végzett mérét mutatok be. A korábban említetteknek megfelelően a Schottky méré egítégével adalékolát (4.3) lehet meghatározni mélyég (4.2) függvényében az 1/ 2 görbe egítégével, ahol a mért kapacitá értéke. A különböző meredekégű zakazokból az egye rétegek adalékoláára é azok vatagágára lehet következtetni, ill. a felületi állapotok űrűégére (D it ) [3]. K 0A w w K A 0 (4.2) N 3 A( w) 2 2 d 2 qk d A (1 0 qk 0A dvg dvg 2 ) (4.3)
Kapacitá [pf] 1/ 2 [pf -2 ] -20-200 180 160 140 120 1.6E-03 1.4E-03 1.2E-03 1.0E-03 100 80 60 40 20 0-205 -155-105 -55-5 8.0E-04 6.0E-04 4.0E-04 2.0E-04 0.0E+00 Fezültég [V] 8. ábra Si mintákon végzett Schottky méré eredményeként kapott tipiku -V (piro) é 1/ 2 (kék) görbék.
-21-4 -V é V-Q méré elméleti háttere A Poion-egyenletből (5.1) kiindulva levezethető egyaránt a -V é V-Q görbe i. Ezek a levezetéek telje rézleteégben megtalálhatóak a zakirodalomban ([1] 2. é 3. fejezetei). A zilícium, ill. egyéb 1 ev körüli tiltott ávú félvezetők eetén, mint pl. a germánium (Ge) vagy a gallium-arzenid (GaA) az egyenúlyi állapotokra vonatkozó elmélet jól haználható alapul zolgál a méréek kiértékeléére i. A nagy tiltott ávú félvezetők eetén az egyenúlyi állapotokra vonatkozó elméletből kiindulva nem mindig lehet méré kiértékeléi eljárát kidolgozni. Ahogy kéőbb majd látni fogjuk, hiába érvénye a zilícium-karbidra i az egyenúlyi inverzióra vonatkozó elmélet, praktiku méréi időn belül az egyenúlyi állapot nem jön létre a nagy relaxáció idők miatt. Ebben a fejezetben egy rövid áttekintét adok ezekről, hogy a kéőbbiekben imertetett, zilícium-karbidon mért eredmények kiértékeléekor egyzerűbb legyen megérteni az egye ézrevételeket, elhanyagoláokat. A levezeté orán p-típuú anyagból indulok ki. 2 d ( x) 2 dx ( x) (5.1) 4.1 A Poion-egyenlet megoldáa A Poion-egyenlet a félvezető anyag felülete közelében az (5.2) egyenlet formájában írható fel. Az egyenlet bal oldalán a potenciál felülettől mért mélyég zerinti máodik deriváltja zerepel, jobb oldalán pedig egy adott térrézben található töltéűrűég, oztva a zilícium dielektromo állandójával. A töltét egy adott térrézben az öze elektron, lyuk, donor é akceptor ion töltée adja. 2 d ( x) q( p( x) n( x) N D N A ) 2 dx (5.2) A ávelmélet elfogadott jelöléeivel a többégi (5.3) é kiebbégi töltéhordozók (5.4) elozláa a mélyég függvényében az alábbi módon alakul p-típuú félvezetőben, vagyi N D =0 donor adalékolát feltételezve. i q kt q ( x) kt A q ( x kt bulk ) p( x) n e e N e (5.3)
-22- n q bulk q ( x) 2 q ( x) n kt kt i kt ( x) nie e e (5.4) N A A (5.3) é (5.4) egyenletekben megjelenő Φ bulk é Ψ(x) potenciálok a 9. ábrán láthatóak; a Φ bulk az ún. bulk-potenciál, magyarul térfogati potenciál, vagyi az intrinic Fermizint é a ténylege adalékolt zilícium Fermi zintje közötti különbég, a Ψ(x) pedig a ávhajlá a felülettől mért távolág függvényében. Ψ pedig a ávhajlá mértékét mutatja a felületnél. ρ(x) é a Ψ(x) a bulkban megfelelő mélyégben állandó, minket igazából cak a felület közeli változáok érdekelnek. 9. ábra - A ávelmélet alapvető jelöléeinek bemutatáa MOS truktúrán [1]. Az (5.2) zámlálójában zerepel az adott térréz öze töltéűrűgége, melyet a (5.3) é (5.4) felhaználáával az alábbi formában írhatunk fel. ( x) qn A 1 e q ( x) kt n N i A 2 e q ( x) kt (5.5) A 10. ábra a -V görbe egye zakazain kialakuló akkumuláció, kiürítée é inverzió töltéelozlá állapotokat mutatja. Szemléleteen már említére kerültek ezek az állapotok a dolgozatom 4.1.3 fejezetében. Az ábrákból látzik, hogy a MOS truktúra felületén a potenciál változáa a félvezető tömb felülete közelében hoz létre érdembeli változát.
-23-10. ábra - A -V görbe zakazai é azokhoz tartozó töltéelozláok a félvezető felületének közelében [1] Átrendezéek után a Gau-törvényt alkalmazva levezethető a telje felületi töltémennyiég a felületi ávhajlá függvényében ([1] 2.3.2. fejezet). Q E 2 q kt p e q kt q kt 1 ni N A 2 e q kt q kt 1 (5.6) λ p az ún. extrinic Debye-hozot jelöli, ami azzal arányo, hogy az elektromo térerőég milyen mélyen hatol be a félvezető anyagba. p kt 2 q N A (5.7) A félvezető truktúra telje tatiku kapacitáa a felületen lévő öze tölté é a truktúrán eő fezültég hányadoaként értelmezhető (5.8). A ki- é nagyfrekvenciá
-24- -V mérénél a fezültégváltozá hatáára létrejövő töltéváltozából meghatározható a truktúra adott frekvencián érvénye differenciáli kapacitáa. A továbbiakban mindig a kijelű közelíténél érvénye differenciáli kapacitát jelöli a kapacitá. tat Q V total G diff dq dv total G (5.8) A MIS truktúra félvezető felületi töltéeire felírva a Gau-törvényt kapjuk a (5.9) egyenletet. A kapacitában létrejövő térerőég kifejezhető a rajta eő fezültég é a kiürített réteg zéleégének hányadoaként. E Q ( t) V G ( t) t ox ( t) (5.9) A felületegyégre vonatkoztatott oxidkapacitá az alábbi formában írható fel (5.10). ox t ox ox (5.10) Az oxidkapacitára az előzőek imeretében felírható a (5.11) özefüggé. ox ( V ( t) ( t)) Q ( t) G (5.11) A kijelű közelítében az elektródpotenciál (5.12) é a ávhajlá (5.13) felírhatók olyan alakban, mint egy kontan é egy változó tag özege. Nagyon ki változáokra belátható, hogy a (5.14) közelíté igaz ([1] 3.2.1 fejezet). V G ( t) V V ( t) G G ( t) ( t) (5.12) (5.13)
-25- dq Q ( t) Q ( ( t)) Q ( ) ( t) d (5.14) A (5.14) egyenletben zereplő differenciálhányado valójában a félvezető változó kapacitáát írja le kijelű eetben, ezért érdeme bevezetni a jelölét (5.15). dq Q ( t) ( t) ( ) ( t) d (5.15) A (5.16) egyenlet zemlélete jelentée az, hogy a mérőjel változáának hatáára az oxidkapacitáon é a ávhajlából eredő kapacitáon valójában ugyanaz a tölté jelenik meg. Az (5.16) egyenlet átrendezéével kapjuk a (5.17)-et, ami a ávhajlá é a gate fezültég kapcolatára vonatkozó fonto alapözefüggé, amit a kéőbbiekben i felhaználunk. ( V ) ( ) ox G (5.16) ox ox ox VG ( ) VG ox ( ) (5.17) A mért özkapacitára vonatkozik az 5.18 egyenlet, amit az előzőekben kapott telje felületi tölté elektródpotenciál zerinti deriváltjaként kapunk. A lánczabály alkalmazáával belátható, hogy az oxidkapacitá é a félvezető ávhajlából eredő kapacitáa egymáal oroan van kapcolva. Az itt imét megjelenő kapacitá a (5.6) egyenlet ávhajlá zerinti deriváláával kapható, ennek eredményét mutatja a (5.20) egyenlet. Q V G Q V G ( ) ox ox ( ) ox ox (5.18)
-26- A flat-band állapotban mérhető kapacitá a félvezetőben a (5.19) zerint zámítható, ahol λ p az extrinic Debye-hoz (5.7). Amennyiben a kiebbégi töltéhordozókat leíró tagokat (5.20)-ból elhagyjuk, akkor az (5.21) egyenletet kapjuk, amellyel a mélykiürítée nagyfrekvenciá kapacitát írjuk le. A teady-tate nagyfrekvenciá kapacitá elméleti leíráához a fentiektől eltérő gondolatmenet zükége, amelyben a kiüríté mélyégét ezetjük le é abból zámolunk félvezető felületi kapacitát. Mivel a munkám zámára ennek ninc gyakorlati jelentőége, ennek imertetéétől eltekintek. FB p (5.19) FB 2 1 q kt e q kt 1 e ni N q kt A 2 q e ni N kt A ( x) 2 e q kt (5.20) FB 2 1 q kt e 1 q kt e q kt (5.21) 4.2 Felületi állapotok hatáa a V-Q é -V mérére A félvezető-dielektrikum határfelület é közeli környezete lényegeen eltérő vielkedét mutat, mint a félvezető tömb beleje. A zabályo kritály truktúrájú félvezető é a - SiO 2 eetében amorf - dielektrikum határán mindkét zerkezet truktúrája torzul, a kötéekben fezültégek keletkeznek, őt, bizonyo atomok vegyértékei kötéen kívül maradnak (lógó kötéek dangling bond). Ezen felül a határfelület jellemzően özegyűjti a különböző zennyeződéeket i, amelyek tovább rontanak a truktúra rendjén.
-27- A fenti jelenégek felelőek az irodalomban egyégeen fix oxidtöltének nevezett, az interface közelében felhalmozódott kötött töltéek megjelenééért, amelyek a flat-band fezültég eltoláához járulnak hozzá. Fonto megemlíteni, hogy a dielektrikumban további töltéek i jelen vannak, de dolgozatomnak nem célja ezekkel foglalkozni. A máik, TDK munkám zempontjából fonto jelenég az úgynevezett felületi állapotok jelenége. A felületi állapotokban jelenlévő tölté pozitív é negatív töltéek előjele özegeként adódik, vizont a méréek orán cak az előjele özegük mérhető. A torzulá alapvetően a Q -Ψ függvényben jelenik meg, é ennek hatáára változá tapaztalható a V-Q é -V görbékben. Ezekről a zemlélete hatáokról a korábbi fejezetekben zó eett már (3.1.3 fejezet 3. ábra, 3.2 fejezet 4. ábra). 11. ábra - A felületi állapotok zemléltetéére alkalma vizepohár analógia. Egy zemlélete magyarázat a felületi állapotok hatáára a vizepohár analógia. A kiindulái feltételezé az, hogy egy függőlege falú pohár feltöltée közben a víz zintje é a betöltött vízmennyiég lineárikapcolatban van egymáal, haonlóan a felületi tölté é kapacitá i. Ha a 11. ábra zerinti torzított pohárba kezdünk vizet tölteni, akkor a lineári függé i megváltozik az adott zakaz kereztmetzet változáa miatt.
-28- Ez zemléleteen megfeleltethető a felületi capdákban lévő töltéeknek -V é V-Q görbéket kinyújtó hatáának [5].
-29-5 V-Q é -V méréek zilícium-karbidon 5.1 Változáok a zilíciumhoz képet A zilícium-karbid tulajdonágait tekintve nagyon ok eltérét mutat a zilíciumhoz képet. Az intrinic töltéhordozó koncentráció értéke zobahőmérékleten a 4H politípunál kb. n i =6x10-9 1/cm 3 [6]. Emellett az elektronok é lyukak mozgékonyága i meglehetően nagy eltérét mutat (1. táblázat). Ennek következtében jellemzően az n- típuú zeleteket haználják az iparban. Az alacony intrinic töltéhordozó koncentráció miatt a kiebbégi töltéhordozók záma cekély. Ez egy fonto zempont a bemutatott méréek kiértékeléénél. Fonto azt i megemlíteni, hogy ninc még zabványoított özefüggé a zilícium-karbid adalékkoncentrációja é ellenálláa között. Mivel a -V é V-Q méréek elméletében alapvetően az adalékolá jelenik meg, munkámban nem bezélek fajlago ellenálláról. A kiebbégi töltéhordozók reagálái ideje elődlegeen a zubztrát hibáiból adódó generáció-rekombináció vizonyától függ [1]. Ezek egítégével meghatározható a relaxáció idő (6.1). R 1 2 N n D i 1 T B 1 2 n ln e q k c c B p n T T p e 2q k T B q k B T T T (6.1) Az előző özefüggé közelíthető az alábbi módon. R 1 2 N n D i 1 T B 1 2 n p (6.2) Elhanyagolva a tömbi mélynívók mennyiégét (ψ T =0), ill. behelyetteítve az adalékolá é az intrinic töltéhordozó koncentráció értékét, nagyágrendileg becülhető a relaxáció idő (6.3). Könnyen belátható, hogy a jellemzően nano- é mikrozekundumo élettartamokkal jellemezhető Si eetében a relaxáció idő a méré idejénél ok nagyágrenddel nagyobb.
-30- R 9,25 24 10 n p (6.3) 5.2 Felhaznált minták A felhaznált zilícium-karbid zeletek mind 3 -eek. Egy rézük zilícium-dioxiddal borított, a többi pedig oxidmente, epitaxiáli réteggel ellátva. A zilícium-karbidon nehéz jó minőégű termiku oxidot növezteni, a natív oxidja emellett vizont meglehetően jó minőégű. Az általam mért oxido minták pecialitáa, hogy nagyon jó minőégű oxidréteg van rajtuk, a világ egyik vezető alapanyaggyártójától zármaznak. Haonló gyártátechnológiák elterjedéével még inkább fontoá válik a zilíciumkarbid minőítée. 5.3 V-Q méréek eredményei A V-Q méréekhez a Semilab WT-2000-e mérőberendezéét haználtam, mely alkalmanak bizonyult zilícium-karbid méréére. Az elméleti áttekintőben említett ötétben é világoban végzett méréekre (4.1.4 fejezet) zilícium-karbid eetében nem volt lehetőégünk, mert a berendezé vörö lézere nem megfelelő a vegyértékávban lévő elektronoknak a kb. 3,2 ev-o tiltott áv fölé történő gerjeztééhez. A megfelelő gerjeztéhez UV lézerre lenne zükég (6.4), ami nem állt rendelkezére, így a továbbiakban bemutatott méréi eredmények mind ötétben kézültek. W c h c h W 8 3 10 m ev 3,2eV 12 4,135 10 387, 6 g g nm (6.4) A 12. ábrán látható görbéket egy oxiddal borított zilícium-karbid mintán mértem. A méréek reprodukálhatóága nagyon jónak bizonyult, minden minta nagyon haonló vielkedét mutatott. Emiatt cak egy-egy tipiku méré eredményén mutatom be az eredményeket.
Fezültég [V] -31-0 Pozitív töltéi irány - PD -10-20 -30 Negatív töltéi irány - ND -40-50 -500-400 -300-200 -100 0 100 200 Felületi töltéűrűég [n/cm2] 12. ábra Szilícium-karbidon mért V-Q cápauzony görbe negatív irányú tölté eetén (piro görbe). A pozitív irányú töltéel ettől jellegében i eltérő görbét kapunk (kék görbe). Az elő zembetűnő különbég a zilíciumon mért V-Q görbékhez képet, hogy a pozitív irányú (PD - poitive direction charged) é negatív irányú (ND negative direction charged) tölté orán eltérő jellegű görbéket mértem. Úgy ítéltem meg, hogy a kettő közül a cápauzonyhoz haonló alakot mutató ND görbe alapján végezzük el a kiértékelét. A zilícium-karbidban a kiebbégi töltéhordozók záma nagyon kevé, é a méréi időhöz képet nagyon nagy a relaxáció idő, ezért lényegében nem jönnek létre kiebbégi töltéek, hanem telje nem-egyenúlyi mélykiürülée állapot jön létre. Kézenfekvőnek tűnt tehát a mért ND görbére egy kiürítée közelítét alkalmazni. Ez annyit jelent, hogy az 5. fejezetben levezetett (5.6) V-Q görbe formulából elhagytam a kiebbégi töltéhordozókat jellemző tagokat (5.21): FB 2 1 q kt e 1 q kt e q kt (6.5)
Felületi potenciál [V] Illeztéi hiba [V] -32- Az így kapott görbe meglehetően jól illezkedik az ND cápauzony görbe megfelelően kiválaztott zakazára. Az illeztéi paraméterek az adalékolá, az oxidvatagág é a flat-band tölté. Ily módon az illezté elvégzéével ezen mennyiégeket ki tudjuk fejteni a méréi eredményekből. Nagyon fonto ézrevenni, hogy a zilíciumon végzett V-Q méréekhez képet egy nagy hátrány jeentkezik azzal, hogy az egyenúlyi inverzió zakaz hiánya miatt keveebb illeztéi paraméter van. Ennek következménye, hogy az interféz állapotok hatáát nem lehet az adalékolá hatáától zétválaztani a fenti kiértékeléel. Ennek a hiányoágnak a kezelée további fejleztéeket kíván meg. Tovább növelve a felületi töltét, egy nagyon nagy felületi potenciálváltozá tapaztalható. Itt már akkora lehet a villamo térerőég a félvezetőben, hogy beindul a kiebbégi töltéhordozók keletkezée é a relaxáció idők becléére adott fentebbi (6.1 6.3) közelíté nagyágrendileg i érvényét vezti. Feltételezhető, hogy a görbe további zakaza már egyenúlyi inverzió állapotot mutat, mivel a félvezető felülethez legközelebbi tartományában a térerőég továbbra i nagy marad, közönhetően az inverzió réteg vége vatagágának. 20 10 0 0.200 0.150 0.100-10 -20-30 -40 0.050 0.000-0.050-0.100-0.150-50 -0.200-400 -200 0 200 400 600 800 1000 Felületi töltéűrűég [n/cm 2 ] 13. ábra - Kiürítée tartományon illeztett V-Q görbe. A piro a mért, a kék az illeztett görbe. Zölddel az illezté hibája van jelölve.
-33- A pozitív töltéi irányban mért PD görbére teljeen elfogadott magyarázat ninc. Alapo feltételezé, hogy az alábbi folyamat játzódik le. A görbe érdekeége, hogy a zokványo, például zilíciumon mért V-Q görbéhez haonló S alakot mutatja. Az S alak hajlata vizont nem eik egybe az ND görbe kiürítée zakazának kezdetével, ahogy ezt jó minőégű oxido zilícium eetében tapaztaljuk. Ennek az a magyarázata, hogy a felvitt töltéeket fokozatoan emlegeítve, a térerő a félvezetőben valózínűleg egy küzöbértéket átlépve olyan mértékűre cökken, hogy a relaxáció időkre alkalmazott (6.1 6.3) közelíté imét érvénye lez. Vagyi a relaxáció idő nagyon nagy lez a görbe jobb oldali zakazán é kici a bal oldalon. Ennek következtében, a küzöb-térerő cökkenő térerő irányban történő átlépéekor még meglevő inverzió réteg konzerválódik, é a további, a korona zállal felvitt pozitív töltéeket az akkumulálódó többégi, vagyi negatív töltéek emlegeítik. Ez a magyarázata, hogy ez a görbe zépen beleimul az ND görbe akkumuláció zakazába. A zilícium-karbid vielkedée zobahőmérékleten nagyon haonlít az alacony hőmérékletre hűtött zilícium vielkedééhez [7][8]. Maga hőmérékleteken tehát egyre inkább a zilíciumra kezd haonlítani a zilícium-karbid vielkedée, ezért i kézenfekvő az alkalmazáa. 5.4 Hg-V méréek eredményei A Semilab MV-530 é MV-2500 berendezéeivel végzett méréek azt mutatják, hogy a Hg-V alkalma a különböző zilícium-karbid truktúrák méréére, még akkor i, ha a felület nem igazán zép ima é egyenlete. Mind a Schottky, mint pedig a MIS méréeknél kimagalóan jó reprodukálhatóágot tapaztaltam a méréi eredményeken (14. ábra). 5.4.1 Schottky méréek eredménye zilícium-karbid mintákon Oxidmente minták eetén (Schottky méré) azt tapaztaltam, hogy a minták egyzerűen kiürítébe vihetők. A 7. ábrán fentebb látható egy tipiku méréi eredményem, amin jól látható, hogy az 1/ 2 görbe a telje fezültégtartományban egyene. Ezzel a módzerrel a zilícium-karbid minták adalékprofilja jóval nagyobb mélyégig határozható meg, mint zilícium eetében, közönhetően a kiebbégi töltéhordozók hiányának é a zilíciumnál nagyobb átütéi zilárdágnak. Fonto külön kiemelni, hogy a zilícium mintákkal ellentétben a zilícium-karbid natív oxidja nagyon tabil. A mintákon
Töltéhordozó koncentráció [cm -3 ] Szórá az átlaghoz képet [%] -34- emmilyen felületkezelére nem volt zükég a paziválához, é a tapaztalat azt mutatja, hogy hozabb ideig tárolva őket, ugyanolyan jól mérhetőnek bizonyulnak. 3.695E+15 0.32 3.69E+15 0.19 3.685E+15 0.06 3.68E+15-0.06 3.675E+15-0.19 3.67E+15-0.32 14. ábra - Hozú idejű Schottky reprodukálhatóági méré eredménye Si epitaxiáli mintán 5.4.2 MOS méréek eredménye zilícium-karbid mintákon A 15. ábra MOS -V méré eredményét mutatja zilícium-karbidon. A görbe zinte tökéleteen egybevág a megfelelő elméleti mélykiürülée nagyfrekvenciá -V görbével. Ezen újfajta technológiával előállított oxido zilícium-karbid mintáknak nagyon jó a félvezető-oxid interféz határfelülete, é a tökélete mély kiürülének közönhetően a minta adalékprofilja nagy mélyégben é nagy pontoággal megállapítható.
Kapacitá [pf] 1/ 2 [1/pF 2 ] -35-1200 1000 800 2.00E-04 1.80E-04 1.60E-04 1.40E-04 1.20E-04 600 400 200 0-30 -20-10 0 10 20 30 Fezültég [V] 1.00E-04 8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 2.00E-05 0.00E+00 15. ábra Oxido Si mintán mért MOS -V görbe (kék) é 1/ 2 görbe (piro).
-36-6 Szilícium-karbid méréek a Q-V módzerrel 6.1 A Q-V méréek elmélete A módzer lényege, hogy zimultán ki- é nagyfrekvenciá -V méré egítégével felületi állapotűrűég (D it ) meghatározáa alkalma. A zakirodalomban Q- méré néven i megtalálható [1][4]. A legtöbb kifrekvenciá kapacitáméré áramméréen, ill. töltéintegráláon alapul, ami nagyon ki áramok eetén meglehetően zajo. A továbbiakban bemutatott elrendezében vizont a MOS truktúrában megjelenő tölté meghatározáa fezültégváltozáok méréével történik. Ez egyrézt okkal pontoabb mérét tez lehetővé, márézt a méré eredményeképp közvetlenül zolgáltatja a Ψ -V G függvényt, amit a D it zámítáokban közvetlenül haználunk fel. 16. ábra A Q-V módzer méréi özeállítáa A 16. ábra mutatja a méréi özeállítát. A mérendő MOS kapacitá mellett megjelenik a w zórt kapacitá. A MOS truktúrával orbakötve található egy imert é állandó mérőkapacitá ilf. Az ezzel párhuzamoan megjelenő zórt kapaitá x. w é x kalibrációval határozható meg. omóponti egyenleteket felírva adódnak az alábbi özefüggéek. A w - MOS kapacitáokon eő fezültég V O é V i különbégeként zámolható.
-37- V G ( t) V ( t) V ( t) O i (7.1) A kapacitáok közötti töltéáramláok alapján felírható a (7.2) egyenlet: Q ( t) Q ( t) Q ( t) Q ( t) x i w MOS, Ahol az alábbi töltémennyiégek zerepelnek: Q ( t) V ( t) i Q w ilf ( t) V ( t) w i G Q ( t) V ( t) x x i (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) A (7.2) egyenletet a MOS truktúrán lévő töltére átrendezve kapjuk az alábbi özefüggét: Q MOS ( t) ( ) V ( t) V ( t) ilf x i w G (7.6) Ugyanakkor a MOS truktúra oxidjára felírható a Gau-törvény, ahol az oxidban uralkodó térerő változáa az oxidon eő fezültég változáából é az oxidvatagágból zámolható: E ox V G( t) t 0 t ox Q MOS ox ( t) (7.7) V G a kezdő időpillanatban 0V, a ávhajlá értéke ekkor Ψ 0. A (7.7) özefüggét a MOS töltére rendezve megjelenik az oxid kapacitáa. Ezt beírva a (7.6) egyenletbe kapjuk az alábbi alapvető özefüggét:
-38- ilf x w ( t) 0 Vi ( t) 1 VG ( t) ox ox (7.8) A (7.8) özefüggéel meghatározott függvénnyel már zámolható a MOS truktúra telje kapacitáa a MOS elmélet alapvető (7.9) egyenlete alapján. Mivel ehhez a Ψ -V G függvény deriváltját haználjuk fel, ninc jelentőége a nulla gate fezültégnél érvénye Ψ 0 ávhajlá értékének. 1 MOS ox d dv G (7.9) A felületi állapotok űrűége a ki- é nagyfrekveknciá zimultán méréek alapján a (7.10) özefüggéel határozható meg [1]: D it q ox LF 1 LF ox ox 1 HF HF ox ox (7.10) A (7.9) egyenletben zereplő kapacitá tehát a kifrekvenciá kapacitá. A nagyfrekvenciá kapacitát pedig a ávhajlá méréével zimultán végezi a berendezé. A (7.10), egyenletbe beírva (7.9)-et kapjuk a Q-V mérénél érvénye özefüggét a D it meghatározáára: D it ox q dv d G 1 1 HF HF ox ox (7.11) 6.2 A Q-V méréek eredményei Számo Q-V mérét végeztem jó minőégű oxiddal ellátott zilícium-karbid mintákon. A méréek eredményei nagyon jól reprodukálhatónak bizonyultak. Egyik jellegzete méréi eredményemet mutatja a 17. ábra, amin a mért ki- é nagyfrekvenciá
Kapacitá [pf] -39- kapacitáok láthatóak, ill. a 18. ábra, ami az ebből az előző alfejezetben imertetett elmélet alapján zámolt D it pektrumot mutatja. A 18. ábra nagyon tanulágo. Szilícium eetében a D it pektrum ki- é nagyfrekvenciá kapacitáméréel történő meghatározáának a ávhajlá zempontjából két oldalról i zigorú korlátai vannak. Egyrézt imert, hogy az akkumuláció felé közeledve az interféz állapotok egyre kiebb relaxáció idővel rendelkeznek, vagyi az 1 MHz, vagy annál jóval nagyobb méréi frekvencia em tekinthető már nagyfrekvenciá mérének. Máképp megfogalmazva, ahogy közeledünk az akkumuláció felé, egy idő után érvényét vezíti az a közelíté, hogy a nagyfrekvenciá kapacitá méréekor nem jelenik meg az interféz állapotok változáa a gerjezté hatáára. A zilícium-karbid méré eetében i így történik, erről tanúkodik az, hogy az ábra jobb oldalán, vagyi pozitív ávhajlánál a D it értéke elzáll. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 Fezültég[V] 17. ábra Q-V módzerrel oxido Si mintán mért kifrekvenciá (kék) é nagyfrekvenciá (piro) görbék
D it [1/eV*cm 2 ] -40-1.00E+13 1.00E+12 1.00E+11 1.00E+10 1.00E+09-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Energia [ev] 18. ábra A 17. ábra eredményeiből zámolt Dit pektrum Ugyanakkor a D it pektrum haonlóan elzáll zilícium mérénél a kiüríté irányában a nyitófezültégen túl i (jelen eetben ez az ábra jobb oldalán lenne). Ekkor ugyani megjelennek a kiebbégi töltéhordozók. A kiebbégi töltéhordozók ugyanúgy vielkednek, mint az interféz állapotok: a kifrekvenciá gerjeztére reagálnak, a nagyfrekvenciára vizont nem. Vagyi ebben a tartományban a D it helyett az interféz állapotok é a felgyűlő kiebbégi töltéhordozók űrűégeinek özegét mérjük zilícium eetében. A zilícium-karbidon végzett méré eetében ehhez haonló elzállát nem látunk a nyitófezültégen túl, vagyi a 18. ábra bal oldalán. Ennek oka egyzerűen az, hogy zilícium-karbid eetében ilyen fezültégeknél óriái a kiebbégi töltéhordozókra érvénye relaxáció idő, vagyi egyzerűen nem jelennek meg kiebbégi töltéhordozók. Így a zilícium-karbid Q-V mérée eetében azt tapaztaltam, hogy a méré zéleebb tartományban ad értelmezhető eredményt, mint zilícium eetében. A konkrét méréi eredmények mindezek mellett imét megmutatták, hogy nagyon jó interfézel rendelkező oxido minták kerültek a birtokunkba. A mért D it értéke nagyon alacony, ebből i látzik, hogy a mért minták nagyon peciáliak. A rajtuk mért értékek
-41- még zilícium minták eetében em mondhatók mindennaponak, az átlago értékeknél legalább egy nagyágrenddel jobbak.
-42-7 További tervek, lehetőégek A legközelebbi jövőben a zilícium-karbid megfelelő mérééhez é kiértékelééhez implementálni kell a korábban bemutatott közelítéeket, illetve a megfelelő anyagparamétereket a mérőberendezéeket vezérlő é a kiértékelét végző zoftverekben. A V-Q berendezé hardvere fejleztée terén az UV lézere megvilágítá lehet az egyik nagyon fonto mérföldkő. Ehhez azonban ok járuléko fejlezté i zükége, mint pl. megfelelően hangolható UV lézer, UV tartományban átlátzó Kelvin mérőfej, tb. A V-Q méréek eredményeképpen kapott ND cápauzony görbe, illetve a fordított irányban történő töltéel kapott PD görbe magyarázatából ejthető, hogy UV megvilágítáal nem érhető el egyenúlyi inverzió amennyiben a térerőég nagyága (vagyi a felvitt tölté nagyága) nem elég nagy a generáció-rekombináció beindítáához. A V-Q módzer kiértékeléének fejleztééhez fonto lenne pontoan megérteni a PD görbe elméletét é ez alapján olyan kiértékelét kidolgozni, ahol az adalékolát é az interféz állapot-űrűéget zét tudjuk válaztani. A zilícium-karbid fajlago ellenálláa é adalékoláa közötti ztenderdizált özefüggé hiányában fonto lenne a Semilab berendezéeivel a fajlago ellenállá méréek é az adalékolá méréek eredményei alapján egy kezdetlege özefüggét felállítani. Munkámat UV lézerrel felzerelt mikrohullámú PD élettartam méréekkel i tervezem kiegézíteni.
-43-8 Özefoglalá A zéle körben alkalmazott félvezető minőítő mérőberendezéeket jellemzően zilícium, illetve általában kekenyebb tiltott ávú félvezetők méréére fejleztették é optimalizálták. Ahogy a zilícium-karbid egyre hangúlyoabban jelenik meg az iparban, egyre ürgetőbben merül fel, hogy a zükége mérétechnikák rendelkezére álljanak zilicium-karbid minőítéére i. Sok zilíciumra optimalizált mérétechnika hardverét tekintve alkalma lehet zilicium-karbid minőítéére i. Termézete módon adódik, hogy elő lépéként a méréi paraméterek megfelelő beállítáával, illetve a kiértékelé zükége mértékű átdolgozáával ezeket az ezközöket alkalmaá tegyük zéle tiltott ávú félvezetők minőítéére i. A dolgozat a jelenleg leginkább elterjedt é alapvető -V é V-Q elektromo minőítő méréek alkalmazhatóágát vizgálja egézen a méréek elméletétől a kiértékeléi algoritmuokig. A kidolgozott eljáráok felhaználáával méréeket i végeztem, amelyekkel a módzerek haználhatóágát demontrálom. A V-Q minőítő eljárá eetében a jó minőégű oxiddal ellátott epitaxiáli zilíciumkarbid minták jellegre i különlegeen vielkednek, így a félvezetőfizikai elméletből kiindulva új kiértékeléi eljárát dolgoztam ki. A zilícium-karbid nagyfrekvenciá -V méréével kapcolatban megmutattam, hogy cak az anyagi paraméterek megfelelő beállítáával é a zilíciumra kifejleztett kiértékeléi móddal MOS é Schottky méréek egyaránt elvégezhetőek. A félvezető-oxid határfelület állapotűrűégének minőítéére haznált zimultán nagy- é kifrekvenciá -V méré (Q-V módzer) eetében elméleti úton megmutattam, hogy a jellegében eltérő vielkedé ellenére a zilíciumra kifejleztett kiértékeléi eljárá zilícium-karbiddal i működik. Sőt, mély kiürítében i, tehát lényegeen zéleebb ávelhajlá tartományban, zolgáltat zámzerűleg értelmezhető eredményt.
-44-9 Irodalomjegyzék [1] E. H. Nicollian, J. R. Brew, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Phyic And Technology, John Wiley & Son, Inc. 1982. [2] Propertie of ilicon carbide, ed. Gary Lynn Harri, INSPE (Information ervice) 1995 [3] D. K. Schroeder, Semiconductor material and device characterization, John Wiley & Son, Inc. 1998. [4] E.H. Nicollian, J. R. Brew, Improved MOS capacitor meaurement method uing the Q- method, Solid State Electronic Vol 27. No 11. pp 963-975., 1984. [5] M. Wilon, J. Lagowki, A. Savtchouk, L. Jatrzebki, J. D Amico, OOS (orona Oxide haracterization Of Semiconductor) Metrology: Phyical Principle And Application, ASTM onference on Gate Dielectric Oxide Integrity, San Joe, alifornia January 1999 [6] http://www.ioffe.ru/sva/nsm/semicond/si/ [7] M. Sadeghi, A. Jauhiainen, B. Li, E.O. Sveinbjornon, O. Engtröm, High Frequency capacitance meaurement on metal-inulator-emiconductor tructure in thermal non-equilibrium condition, Solid-State Electronic Vol. 42, No. 12, pp. 2233±2238, 1998 [8] M. Sadeghi, O. Engtröm, apacitance meaurement on Si MOS tructure for the determination of interface propertie, Microelectronic Engineering 36 (1997) 183-186 [9] Z. Zolnai, Irradiation-induced crytal defectin ilicon carbide, Ph.D. Diertation, 2005
-45-10 Függelék A. Nyomtatott függelékek Nem tartozik a dolgozathoz. B. Digitáli függelék Nem tartozik a dolgozathoz.