3.5 Elektrische Charakterisierung der MOS-Struktur mittels C-V-Messung
3.5.6 Dotierprofil des Halbleiters
Im Bereich der Verarmung kann über die von der angelegten Gatespannung abhängige Ausdehnung WS der Raumladungszone ein Zusammenhang der Kapazität mit der Tiefe im Silizium hergestellt werden (vgl. Abschn. 2.4.3b Gl. (2.18) und (2.19)). Aus der gemessenen Kapazitätsverteilung wird so das Dotierprofil des Halbleiters in Abhängigkeit von der Tiefexberechnet. Das Dotierprofil ist von Bedeutung, da bei der Berechnung der Oxidladungsdichte in Abschnitt 3.5.3 eine gleichmäßige Dotierung des Halbleiters vorausgesetzt und auch die Berechnung der Grenzflächenzustandsdichte von einem ungleichmäßigen Dotierprofil beeinflusst wird (vgl. Abschn. 3.5.5).
3.5 Elektrische Charakterisierung der MOS-Struktur mittels C-V-Messung 57 a) Berechnung aus experimenteller hf-C-V-Kurve
Trägt man die hochfrequent gemessene Kapazität CD im Verarmungsbereich als C1
D2 über ψS auf, erhält man eine Gerade, deren Steigung genutzt werden kann, um die Verteilung der DotierstoffkonzentrationN zu errechnen. Nach [55] gilt:
N(x) =∓ 2
mit dem Ortx, an dem die Dotierstoffkonzentration gemessen wird:
x=WS= CD
ε0εS , (3.35)
wobei sich der Nullpunkt der Tiefe WS im Halbleiter an der Grenzfläche zwischen Oxid und Halbleiter befindet. Ist die Dichte der GrenzflächenzuständeDitklein, so gilt im Verarmungsbereich:
Chf ≈Clf. Damit erhält man durch Differenzieren des Berglund-Integrals (Gl. (3.22)):
dψS
dVG = 1− Chf
COX . (3.36)
Setzt man dies zusammen mit der Gleichung zurChf-Berechnung (3.27) in Gleichung (3.34) ein, so ergibt sich
Der Tiefenbereich, in dem das Dotierprofil auf diese Art bestimmt werden kann, wird durch die Annahme einer im Bereich der Verarmung angelegten Gatespannung begrenzt. Dies limitiert die berechenbare Tiefexauf [55]
2. x
Die linke Seite von Gleichung (3.38) drückt die Begrenzung durch das Eintreten des Akkumulations-bereichs aus, die rechte Seite die des InversionsAkkumulations-bereichs. Diese beiden Begrenzungen sind in Abbildung 3.19 durch die Linien a und i dargestellt.
Wird die Messung im Modus der tiefen Verarmung durchgeführt, sodass keine Inversionsschicht gebildet werden und sich die Raumladungszone weiter als in Inversion ausdehnen kann, so weitet sich die obere Grenze des Messbereichs bis zum Lawinendurchbruch (Linie ab) aus.
Abbildung 3.19: Tiefenbereich, in dem das Dotierprofil aus der hf-C-V-Kurve bei verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen des Siliziums der MOS-Struktur berechnet werden kann. Die Linie a beschreibt die Begrenzung durch das Eintreten der Akkumulation, Linie i beschreibt die Begrenzung durch das Eintreten der Inversion. Im Fall von tiefer Verarmung tritt die Begrenzung erst mit dem Lawinendurchbruch (Linie ab) ein. Aus [55].
b) Berechnung aus kombinierter hf-/lf-C-V-Kurve
Sind in der vermessenen MOS-Struktur allerdings nicht vernachlässigbare Grenzflächenzustände vorhanden, so beeinflussen diese die Steigung der C1
D2(ψS)-Relation durch den Streckungseffekt. Mit einer von Brews [74] entwickelten Methode kann dieser Effekt durch eine alternative Berechnung korrigiert werden. Sie bestimmt das Dotierprofil aus der Kombination von hochfrequent und quasistatisch gemessener C-V-Kurve mit
Diese Bestimmungsmethode hat gegenüber der unter a) beschriebenen einen weiteren Vorteil.
Gleichung (3.37) ist nur im Bereich der Verarmung anwendbar, wohingegen Gleichung (3.39) sowohl für den Verarmungs- als auch den Inversionsbereich gilt. Folglich ist auch der Tiefenbereich, in dem das Dotierprofil bestimmt werden kann, größer und befindet sich bei einer tolerierten Ungenauigkeit von≤5% im Bereich von
3LD. 1
wobei die untere Grenze das Ende des Verarmungsbereichs durch die Entstehung der Majoritäts-ladungsträgerakkumulation anzeigt [75].
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Probenpräparation
Für die in der vorliegenden Arbeit zu untersuchende Thematik ist die Herstellung von Proben zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer mittels Photoleitfähigkeits- (vgl. Abschn. 3.1) und Photolumineszenzmessungen (vgl. Abschn. 3.2) sowie von Proben zur Kapazität-Spannung-Messung (vgl. Abschn. 3.4) notwendig. Überdies soll eine neue Probenstruktur entwickelt werden, mit der nach der Lebensdaueruntersuchung und weiterer Bearbeitung derselben Probe eine an-schließende C-V-Messung durchgeführt werden kann.
Die Lebensdauer wird unter anderem durch vorhandene Störstellen an der Oberfläche der Silizium-scheibe vermindert, da dort Ladungsträger rekombinieren können. Eine auf der Oberfläche aufgebrachte Al2O3-Schicht kann die Störstellen absättigen und damit als chemische Passivierung dienen. Die zusätzliche Feldeffektpassivierung dieser Schicht wird mit den darin enthaltenen fixen Ladungen erklärt (vgl. Abschn. 2.2.2). Die Dichte der fixen Ladungen Qf wie auch die Dichte der GrenzflächenstörstellenDit können mit der C-V-Messmethode bestimmt werden. Die Passiviereigenschaft der Al2O3-Schicht äußert sich in einer niedrigen effektiven Oberflächenre-kombinationsgeschwindigkeit Seff und bei hoher Volumenlebensdauer τVolumen in einer hohen effektiven Lebensdauer der Minoritätsladungsträgerτeff im Halbleiter gemäß Gleichung (2.6).
Die neu zu entwickelnde Probe soll die direkte Korrelierung der Ergebnisse von Ladungsträgerlebens-dauer- und C-V-Untersuchungen ermöglichen und könnte somit die Qualität diverser dielektrischer Oberflächenpassivierschichten aus Al2O3 oder anderen Dielektrika erklären helfen.
Lebensdauerprobe
Der Aufbau der Probe für die geplanten Lebensdaueruntersuchungen ist in Abbildung 4.1 darge-stellt. Auf der p-dotierten Siliziumscheibe verbleibt nach einer nasschemischen
Oberflächenbe-Si (p-Typ) Al2O3
Al2O3 SiOx
SiOx
Abbildung 4.1: Graphische Darstellung der Probe zur Untersuchung der Ladungsträgerlebensdauer.
Die p-dotierte Si-Scheibe ist beidseitig mit Al2O3 passiviert. An der Grenzfläche zwischen Si und Al2O3befindet sich eine natürliche SiOx-Schicht.
handlung eine wenige Nanometer dünne Schicht aus natürlich oder chemisch entstandenem SiOx. Anschließend werden die beiden Oberflächen der Probe mit Al2O3 passiviert. Eine beidseitige Passivierung ist nötig, um eine symmetrische Probenstruktur zu erzeugen, welche für die Gültigkeit der Gleichung (2.6) zur Berechnung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer vorausgesetzt wird (vgl. Abschn. 2.1.2).
59
C-V-Probe
Die Messung von Kapazität-Spannung-Kurven findet an der in Abschnitt 2.4 beschriebenen MOS-Struktur statt. Ein für die Untersuchung von passivierenden Al2O3-Schichten einsetzbarer Aufbau einer C-V-Probe, welcher diese MOS-Struktur enthält, ist in Abbildung 4.2a gezeigt. Im Gegensatz
Si (p-Typ) MOS
Al2O3
Al Gate
SiOx
SiOx
(a)
5 mm 5 mm
5 cm
5 cm
(b)
Abbildung 4.2: (a)Graphische Darstellung der Probe zur Messung von C-V-Kurven. Die p-dotierte Si-Scheibe mit natürlicher SiOx-Schicht ist vorderseitig mit Al2O3 beschichtet. Gatekontakte unter-schiedlicher Fläche bilden zusammen mit Al2O3 und Si MOS-Strukturen. Rückseitiges Al dient der ohmschen Rückseitenkontaktierung. (b)Skizze der Schattenmaske, mit der definierte Kontaktflächen als Gate der MOS-Struktur aufgebracht werden.
zum Aufbau gemäß Abbildung 4.1 ist bei der C-V-Probe keine beidseitige Al2O3-Beschichtung erforderlich. Bei der C-V-Messung wird nämlich nur die MOS-Struktur auf der Vorderseite der Probe untersucht, rückseitig findet lediglich die ohmsche Kontaktierung der MOS-Struktur statt.
Der Rückseitenkontakt weist nach dem Aufdampfen von Al zunächst eine Schottky-Barriere auf. Für eine ohmsche Kontaktierung ist ein Temperschritt nach der Metallbeschichtung (post-metallization anneal) bei 400 °C notwendig, der den Kontaktwiderstand reduziert [76, 77]. Der Postmetallization-Anneal eliminiert die einige Nanometer dicke Grenzflächenoxidschicht und verursacht eine Austauschdiffusion von Al und Si, wodurch die Schottky-Barriere ausreichend kurzgeschlossen wird, um einen ohmschen Kontakt zu formieren.
Als Gatekontakt werden verschiedene kreisförmige Kontaktflächen aus Al unter Verwendung einer Schattenmaske (s. Abb. 4.2b) aufgedampft.
Kombinierte Lebensdauer-/C-V-Probe
Die neue Probenart, an der zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Herstellungsprozesses nach-einander sowohl Lebensdauer- als auch Kapazität-Spannung-Messungen vorgenommen werden können, ist in Abbildung 4.3 graphisch dargestellt.
Da für die Lebensdaueruntersuchung eine beidseitige Beschichtung der Probe mit Al2O3notwendig ist, muss durch die im Verhältnis zum natürlichen Oxid dicke Passivierschicht der Rückseite hindurch eine ohmsche Kontaktierung hergestellt werden. Mittels eines Postmetallization-Anneal, wie bei der vorherigen C-V-Probe, ist dies allerdings nicht mehr möglich. Der ohmsche Kontakt soll stattdessen durch einen im Rahmen dieser Arbeit optimierten Prozessschritt, der Erzeugung sogenannter „Laser-Fired Contacts“ (LFC) [78], hergestellt werden (vgl. Abschn. 4.2). Sie werden halbflächig an der Rückseite eingebrannt, um durch eine eventuelle Schädigung bei diesem Laser-schritt nicht die gesamte Probenfläche zu beeinträchtigen.
Die für die Herstellung der drei vorgestellten Proben notwendigen Prozessschritte werden in den folgenden Abschnitten detailliert dargelegt.
4.1 Probenpräparation 61
Si (p-Typ) MOS
Al2O3
Al2O3 Al Gate
SiOx
SiOx
LFC
Abbildung 4.3: Graphische Darstellung der Probe, an der sowohl Lebensdauer- als auch C-V-Messungen vorgenommen werden können. Die p-dotierte Si-Scheibe mit natürlicher SiOx-Schicht ist beidseitig mit Al2O3beschichtet. Der vorderseitige Gatekontakt bildet zusammen mit der darunter liegenden Al2O3-Schicht und dem Si-Substrat die MOS-Struktur. Rückseitiges Al mit eingebrannten LFCs dient der Rückseitenkontaktierung.