AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA C-V DE ALTA FRECUENCIA PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ESTRUCTURAS MIS

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1 AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA C-V DE ALTA FRECUENCIA PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ESTRUCTURAS MIS T. Díaz, H. Juárez, E. Rosendo, M. Rubin 2, G. Salgado, M. Rosete 2, M. Mejía 2, C. Morales 3 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, CIDS-ICUAP, Puebla, México 2 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, FCC, Puebla, México 3 CINVESTAV, Sección de Estado Sólido, México D.F. todiaz@siu.buap.mx RESUMEN En este trabajo se describe la automatización de un sistema C-V de alta frecuencia para la caracterización eléctrica de estructuras MIS. Para obtener información acerca de la interfaz aislante-semiconductor y del aislante, el sistema permite realizar una comparación entre la curva experimental adquirida y su correspondiente teórica. Su realización está basada en el uso de dos herramientas principales: la tarjeta de adquisición de datos (DAQ) NI6034E y el lenguaje Matlab que permite, además del manejo de la tarjeta DAQ y el diseño de la interfaz, un mayor control sobre los elementos que componen dicha interfaz y de los datos adquiridos para su procesamiento y análisis.. INTRODUCCIÓN Dispositivos discretos basados en silicio y especialmente circuitos integrados, tienen un rol esencial en la industria de la electrónica. Por la simplicidad de la estructura de análisis, la facilidad en hacer la medición y la gran cantidad de información disponible, la medición C-V es uno de los procesos más comunes en el monitoreo de diagnósticos empleados en la fabricación de dispositivos. Además, dado que éste método es no destructivo, preciso y rápido, puede ser empleada en muchos de los pasos del proceso de fabricación y sirve convenientemente en el proceso de control. Usando la técnica C-V pueden determinarse muchas propiedades de la capa aislante, la capa del semiconductor y la interfaz, tales como cargas fijas en el óxido, cargas en la interfaz o estados rápidos, trampas en el óxido, iones móviles, dipolos y grupos hidróxidos en la superficie del óxido[]. A pesar de la existencia en el mercado de sistemas C-V automatizados, el costo de los mismos es elevado y ofrecen funciones limitadas, por lo que el desarrollo de este sistema permitió crear funciones más personalizadas y orientadas a las necesidades especificas requeridas por los usuarios finales a un costo menor. 2. ASPECTOS TEÓRICOS Una estructura o dispositivo MIS está compuesto por un substrato semiconductor cubierto por una capa aislante en la cual un electrodo metálico (compuerta) es depositado. Por lo tanto, esto comprende un sistema de dos interfaces sólido-sólido separadas por una película aislante [2]. La capacitancia de pequeña señal de un capacitor MIS depende del voltaje aplicado entre la compuerta y la superficie. Cuando una polarización, Vg < 0 para un material tipo p y Vg > 0 para un material tipo n, es aplicada al dispositivo MIS, se produce una acumulación de portadores mayoritarios en la superficie. Entre más acumulación de portadores mayoritarios exista en la superficie, la capacitancia tenderá asintóticamente a la capacitancia asociada con el óxido (Cox), por lo tanto, la capacitancia por unidad de área será: Cox = εox / dox donde dox es el espesor y εox la constante dieléctrica del óxido. Cuando se cambia el voltaje de polarización, tal que el dispositivo MIS está en condición de bandas planas (Vg = V BP = 0), no existe acumulación de portadores mayoritarios y la capacitancia disminuye a medida que se incrementa la longitud de Debye en la superficie. Entonces la capacitancia de bandas planas puede expresarse por:

2 Figura. Capacitancia de señal pequeña de un dispositivo MIS tipo p C = / Cox + L D / ε S Cuando algunas de las cargas mayoritarias han sido repelidas desde la superficie e ionizadas, se forma la zona de agotamiento. Esta condición existe si Vg > 0 para sustrato tipo p y Vg < 0 para sustrato tipo n. Bajo estas condiciones de agotamiento, la capacitancia corresponde a la conexión en serie de la capacitancia del óxido y la capacitancia de la región de agotamiento: C = / Cox + W / ε donde W es el ancho de la región de carga espacial. Cuando la polarización de la compuerta se incrementa lo suficiente como para invertir la superficie, debe considerarse una nueva característica para describir el comportamiento de la capacitancia de la estructura MIS. En este caso, la población de portadores de la capa de inversión sólo puede cambiar dependiendo de que tan rápido puedan generarse y recombinarse dentro de la región de carga espacial siguiendo la señal AC. Esta limitante hace que la capacitancia medida sea función de la frecuencia de la señal de AC que se use para medir la capacitancia de pequeña señal del dispositivo. Cuando el voltaje de polarización cambia muy lentamente y la frecuencia de medición de pequeña señal es baja, el semiconductor siempre va a estar en equilibrio. En este caso, la población de la capa de inversión que puede seguir la señal y la capacitancia del sistema es la asociada con el almacenamiento de portadores minoritarios. En la figura el valor de la capacitancia va desde Cox en la región de acumulación, decrece conforme la superficie recorre la región de agotamiento y regresa a Cox cuando se invierte la superficie. Si cambia rápidamente la señal de medición, mientras que el voltaje de polarización varía lentamente, la capa de inversión no puede responder a esta señal, entonces la S capacitancia corresponde a la combinación en serie de la capacitancia del óxido y la de inversión. Esta capacitancia permanece constante conforme el voltaje de polarización aumenta aún más. El modo adicional de comportamiento, es el de agotamiento profundo, en este caso el voltaje de polarización y la señal de medición varían de manera más rápida, no permitiéndole al semiconductor llegar a su estado de equilibrio, por este motivo no se forma la capa de inversión y la región de agotamiento se hace mas ancha que el valor de inversión [3,4,5]. En un caso ideal, donde el aislante es como vacío pero con una constante dieléctrica diferente, la diferencia de la función de trabajo entre el metal y el silicón es cero, y no existen cargas en la superficie, la curva C-V es llamada "ideal" o "teórica". En situaciones reales, el obtener una curva con datos experimentales, incluye los efectos de la diferencia en funciones de trabajo entre el metal y el semiconductor, de las cargas en el óxido y de las cargas en la interfase. Esto provoca un corrimiento de la curva experimental con respecto a la curva teórica. Obtener experimentalmente estas características resulta de mucha utilidad, ya que si el dieléctrico presenta problemas de corriente de fuga, porosidad, contaminación con iones alcalinos como el sodio, iones OH - o una mala interfase con el silicio resulta en una deformación de las curvas experimentales con respecto a su curva teórica [6,7,8]. 3. IMPLEMENTACION Para la realización del sistema, se utilizaron dos herramientas principales: una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) NI6034E, y MatLab, un lenguaje que ofrece un ambiente que permite realizar cálculos matemáticos y trabajar con gráficas y algoritmos de manera sencilla. También facilita la programación de interfaces gráficas que resultan amigables para el usuario. La tarjeta DAQ-NI6034E cuenta con 6 canales (u 8 diferenciales) de 6 bits de entrada analógica, un conector de 68 pines, ocho líneas de DIO (entrada y salida digital), y 2 canales de salida analógica de 2 bits. La NI6034E se acopla en cualquier ranura de expansión PCI en la computadora. Incluye el software NI-DAQ para PC compatibles, el cual es un conjunto de funciones que controlan todos los plug-in de dispositivos DAQ de National Instruments para I/O analógica, I/O digital, acondicionamiento de señal SCXI y sincronización multiboard RTSI. 2

3 con la PC. Esta herramienta permite configurar los dispositivos de hardware externos y leer datos en MatLab para su inmediato análisis. Con estos datos se graficó la curva C-V experimental. Para graficar la curva C-V teórica, se hizo uso del siguiente algoritmo: DATOS DE ENTRADA: espesor del aislante, área del dispositivo y los datos de la curva C-V experimental medidos a alta frecuencia (entre y 0 MHz). Figura2. Diagrama a bloques que muestra el montaje utilizado para la obtención de curvas C-V experimentales. Figura 3. Procesamiento de las señales recibidas Es posible modificar las características de configuración relativa a la adquisición de datos, tales como el rango y modo de la entrada analógica, a nivel del software de aplicación. En la figura 2 se muestran los elementos generales de los cuales el sistema obtiene los datos para graficar las curvas C-V experimentales. De manera general, el generador de funciones envía su señal al capacitómetro para la polarización, y también constituye la primera señal que recoge la PC (señal x). El capacitómetro obtiene mediciones de una caja obscura, la cual contiene la muestra (dispositivo MIS), y su salida también es enviada a la PC (señal y). Estas señales analógicas llegan a dos entradas en la tarjeta, la cual se encarga de transformarlas a señales digitales, para poder ser procesadas en la PC. Éstas señales nos ofrecen los datos que el sistema se encarga de analizar y presentar gráficamente. La herramienta que permitió dicha obtención fue la Herramienta de Adquisición de Datos de MatLab que provee un conjunto completo de herramientas para la entrada y salida analógicas y para la E/S digital de una gran variedad de hardware de adquisición de datos compatible CONSTANTES: permitividad en el vacío (ε0), constante dieléctrica del semiconductor (εs), carga eléctrica del electrón (q), constante de Boltzmann (k), concentración intrínseca (ni), función de trabajo del metal (Φm), afinidad eléctrica del silicio (χsi) y la energía de gap (Eg). Se realiza una interpolación de los puntos experimentales, y de ellos se extraen los valores de la capacitancia de inversión mínima Cmin y la capacitancia del óxido Cox, lo cual permite calcular la constante dieléctrica del material. Con éste valor se resuelve la ecuación para la concentración en el substrato de manera iterativa. Esta cantidad es usada para calcular la capacitancia de bandas planas del semiconductor y la capacitancia total del dispositivo, que al mismo tiempo corresponde al voltaje de bandas planas. Finalmente, con estos datos es posible simular la curva teórica para la capacitancia a alta y baja frecuencia. De esta manera se muestran simultáneamente las curvas C- V experimental y teórica lo que permite al usuario identificar propiedades importantes del dispositivo MIS que se está analizando. El sistema permite también obtener por separado dichas curvas para un análisis individual e incluso la obtención en un archivo de los datos obtenidos experimentalmente. 4 RESULTADOS Y DISCUSION Para evaluar el sistema, se analizaron estructuras MIS, utilizando como aislante Oxido de Silicio. Se obtuvo un programa interactivo que permite al usuario visualizar la Curva C-V correspondiente a la estructura MIS analizada. Al ejecutar el programa, se abre una pantalla de interfaz de usuario, la cual se muestra en la figura 4.. Las partes que la componen son:. Barra de menú, con las funciones Archivo, Edición, Ver, Herramientas. El usuario puede guardar la grafica que se muestra en ese momento o bien cambiar de pantalla para visualizar otros datos relacionados, así como efectuar un zoom en la grafica. 2. Ventana de visualización que permite observar la curva experimental en tiempo real. 3

4 3. Panel de botones con las opciones de comenzar la ejecución del muestreo, congelar la imagen, resetear la gráfica y acceso directo a comandos del menú. Figura 6. Pantalla que muestra la Curva C-V experimental y la curva teórica de alta y baja frecuencia. Figura 4. Pantalla de interfaz del usuario. Se muestra la Curva C-V experimental y las opciones que el programa soporta. Desde la ventana principal, en el menú Ver, el usuario tiene la posibilidad de acceder a otras dos pantallas de visualización de datos. La primera, mostrada en la figura 5 muestra las señales de entrada, voltaje capacitancia, ademas de la curva C-V resultante de dichas señales. Figura 5. Pantalla que muestra la Curva C-V experimental y sus correpondientes datos de Voltaje y Capacitancia. La segunda pantalla, mostrada en la figura 6 muestra una comparación entre la curva experimental y la curva teórica de alta y baja frecuencia, las cuales se obtuvieron del algoritmo descrito previamente en la implementación, solicitando al usuario los datos de entrada requeridos de la estructura MIS y generando datos de salida útiles para el usuario. 5. REFERENCIAS [] W. Shockecley, W.W. Hooper, H. J. Queisser and W. Schroen. Surface sci, 2, (964) p 227 [2] P. Peykov, T. Díaz, and H. Juárez, Revista Mexicana de Física, 42, 832, (996) [3] P. Peykov, T. Díaz, y H. Juárez, Phys. Stat. Sol. (a), 54, 599, (996) [4] P. Peykov, T. Díaz, H. Juárez, and G.Romero, Semiconductor Physics and Technology,7, 2, (998). [5] P. Peykov, T. Díaz, and H. Juárez, "SBMicro", Brasil, 9, 722 (994) [6] P. Peykov, T. Diaz and H. Juárez, rev. Mex, de Física, 42 (5) [7] L.M Termann, Solid St. J. of Electrochem. Soc, 5 (962) 289. [8] Dieter K. Shkoder, Semiconductor Materials and Device Characterization,Wiley & Sons Inc. 245 (990 4

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