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Submitted on 1 Jan 1988
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Caractérisation de l’interface isolant InP formé en oxydation plasma par l’étude des transitoires de capacité
DLTS et DDLTS
B. Lepley, A. Bath, B. Bouchikhi
To cite this version:
B. Lepley, A. Bath, B. Bouchikhi. Caractérisation de l’interface isolant InP formé en oxydation plasma
par l’étude des transitoires de capacité DLTS et DDLTS. Revue de Physique Appliquée, Société
française de physique / EDP, 1988, 23 (1), pp.71-77. �10.1051/rphysap:0198800230107100�. �jpa-
00245749�
Caractérisation de l’interface isolant InP formé en oxydation plasma par l’étude des transitoires de capacité DLTS et DDLTS (1)
B. Lepley, A. Bath et B. Bouchikhi (*)
C.L.O.E.S., Ecole Supérieure d’Electricité, 57000 Metz, France
(*) LEPI-ESSTIN, 54500 Vand0153uvre-les-Nancy, France
(Reçu le 16 janvier 1987, révisé le 21 juillet 1987, accepté le 24 septembre 1987)
Résumé.
2014L’interface (n) InP-oxyde natif obtenu par une technique bicouche a été étudié par DLTS et double DLTS dans le but de déterminer la répartition énergétique des états d’interface dans la partie supérieure de la bande interdite et la position du potentiel de surface en fonction de la tension appliquée à la
structure MIS tunnel Au-Oxyde-InP. La mesure des transitoires de capacité sur la structure MIS permet d’explorer la bande interdite avec une fenêtre d’observation de largeur énergétique voisine de 3 kT et d’obtenir le spectre des états d’interface qui fait apparaître une contribution prépondérante d’un état discret en
concentration élevée située à une profondeur de 0,46 eV sous la bande de conduction. La position du potentiel
de surface a été déterminée en régime de déplétion par une spectroscopie DLTS à faible niveau et confirmée par double DLTS.
Abstract.
2014The interface between n type indium phosphide and its native oxide grown by a plasma bilayer technique has been studied with DLTS and DDLTS measurements in order to determine the energy distribution of the interface states in the upper part of the bandgap and the surface potential position as a
function of the applied bias. Measurement of the capacitance transients on MIS structures allows to analyse the bandgap with an energy window of about 3 kT and to obtain the interface trap distribution. A discrete state appears with high concentration which is located at 0.46 eV below the conduction band. The surface potential
has been determined in the depletion mode with a low level DLTS spectroscopy in agreement with double correlation DLTS experiments.
Classification Physics Abstracts 73.40Q
1. Introduction.
Le développement des composants micro-électroni- ques et optoélectroniques formés à partir du phos- phure d’indium est freiné par le problème général de
la passivation. En particulier, en ce qui concerne la
réalisation des transistors à effet de champ à grille isolée, les instabilités électriques et la dérive des
caractéristiques apparaissent liées à l’interface iso- lant-semi-conducteur. Plus précisément, le rôle de
l’oxyde natif et son interaction avec les traitements
préliminaires de la surface d’InP semblent détermi- nants dans les caractéristiques obtenues sur les
structures MIS. Les états de surface d’origines
diverses ont été envisagés, liés soit à un oxyde natif
mal contrôlé, à des lacunes de phosphore induites
(1) Cet article avait été proposé pour le numéro spécial
Semi-conducteurs III-V. Sa parution a été retardée pour des raisons matérielles indépendantes de l’éditeur.
par des traitements de surface trop énergétiques ou
favorisées par les températures élevées lors des processus d’élaboration [1, 2].
Si la caractérisation fine de l’interface n’est pas
encore un objectif réaliste compte tenu de la nature complexe et controversée de l’interface entre l’InP et son oxyde natif, il y a cependant la nécessité de
préciser les propriétés et caractéristiques des défauts
présents et leurs liens avec les dérives constatées et
le blocage du niveau de Fermi souvent mis en
évidence à partir des courbes C (V ) à 1 MHz. Les
méthodes électriques sont généralement utilisées
pour tester l’interface du point de vue composant, donc pour montrer s’il possède les propriétés requi-
ses pour la réalisation d’un dispositif, une faible
densité d’états, une absence de dérive et la possibilité
de contrôler la conduction superficielle par action
sur la tension appliquée. La méthode de conductance de Nicollian [3] est largement utilisée sur les structu-
res MOS sur silicium et son application sur les
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0198800230107100
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interfaces isolant-composés III-V est plus délicate
car i) la densité d’états est plus élevée, ii) la déter-
mination du potentiel de surface nécessite l’utilisa- tion de la méthode d’intégration de la capacité d’équilibre [4]. Celle-ci doit être mesurée à une
fréquence suffisamment basse pour que les états d’interface lents puissent répondre au signal alterna-
tif de mesure. Compte tenu des constantes de temps
mesurées sur les structures MIS InP elle doit être inférieure à quelques dizaines de Hz. Cette mesure est rendue très difficile dans les structures MIS tunnel formées à l’aide d’un oxyde natif uniquement,
les fuites liées à la faible épaisseur de l’isolant nécessitent la prise en compte de la conductance
parallèle de l’oxyde et limitent la fréquence dans le
domaine BF.
La mise au point d’une méthode de caractérisation
complète et complémentaire est indispensable pour la compréhension des mécanismes, la localisation des défauts et leur évolution en liaison avec les méthodes de préparation. Nous proposons l’utilisa- tion des spectroscopies de vitesse d’émission DLTS et Double DLTS [5] pour analyser l’interface oxyde
natif-InP et en particulier i) pour déterminer le spectre de la distribution des états obtenu sur les structures MIS tunnel ; ii) pour déterminer la posi-
tion et l’évolution du potentiel de surface en fonction de la tension appliquée en régime de déplétion indépendamment des mesures de capacité basse fréquence nécessaires dans la méthode d’intégration.
A cet effet nous utilisons une spectroscopie à faible
niveau d’excitation afin de bénéficier de la meilleure résolution en énergie permise par la spectroscopie
DLTS. La valeur du potentiel de surface est déduite
de l’énergie d’activation thermique des processus d’émission depuis les états d’interface compris dans
un intervalle d’énergie AEF faible et qui se déplace
dans la moitié supérieure de la bande interdite par action sur la tension appliquée [6].
Ces techniques ont été expérimentées sur des
structures MIS tunnel, formées en oxydation plasma
RF basse énergie en utilisant la technique bicouche qui a permis d’améliorer les caractéristiques de
l’interface en réduisant en particulier la dispersion
en fréquence des courbes C-V [7]. Les structures
sont obtenues par oxydation à 300 °C d’un substrat d’InP de type n de concentration de porteurs
7 x 1016 cm- 3. L’épaisseur de l’oxyde natif résultant
est de 110 A pour les échantillons étudiés. Un contact Au-Ge évaporé est utilisé pour la face non
polie, et l’électrode supérieure, sur l’oxyde, est
réalisée par évaporation d’or.
Afin de séparer la contribution des défauts de volume de celle des défauts de surface, des spectres
DLTS ont été obtenus sur des diodes Schottky Au-
InP formées sur les mêmes substrats mais non
oxydés. Aucun pic significatif n’est apparu dans les mêmes conditions d’expérimentation. L’ensemble
des résultats présentés dans la suite de ce travail
concerne donc l’interface oxyde natif-InP.
2. Détermination du spectre des états d’interface.
La figure 1 illustre le processus classique de DLTS
sur la structure MIS formé sur InP de type n en
mettant en évidence sur le diagramme des bandes la plage d’énergie Em - EFs pour laquelle il y a émission de porteurs majoritaires depuis les états d’interface.
Si la densité d’états de surface Nss(E) est telle que la variation de capacité AC est faible devant la capacité d’équilibre sous polarisation VR, C (V R), le signal
DLTS Y s’écrit [8],
avec
où Es est la permittivité du semi-conducteur, C ox la capacité de l’oxyde et ND la concentration de donneurs. Dans cette expression les capacités sont
données par unité de surface.
S[e,,(E)] correspond à la fenêtre d’observation pour les vitesses d’émission en :
Fig. 1.
-Diagramme des bandes d’énergie de la structure MIS, excitation électrique et transitoire de capacité.
[Energy band diagram of the MIS structure, electrical
excitation and capacitance transient.] ]
Les temps t1 et t2 fixent la fenêtre DLTS.
Un est la section de capture et Kn
=2,54 x 1024 S.I. pour InP(n).
k est la constante de Boltzmann et T la tempéra-
ture. La largeur à mi-hauteur de la fonction
S(en) est voisine de 3 kT avec les valeurs utilisées pour t1 et t2. Deux cas simplifiés peuvent être
envisagés :
1. La distribution NSS(E) est continue et sa
variation sur un intervalle d’énergie de 3 kT est
faible. On obtient alors par simplification de la
relation (1) la densité d’états directement à partir du signal DLTS, l’énergie correspondante est fixée par la température, si la section de capture est connue [8] :
2. Un état d’interface discret ET domine, en concen-
tration Ng (ou éventuellement plusieurs états dis-
tincts séparés de plus de 3 kT)
L’exploitation conduit alors à la méthode utilisée pour les niveaux profonds, la courbe d’Arrhénius permet d’obtenir l’énergie d’activation du niveau et sa section de capture si celle-ci est supposée
constante. Le calcul du spectre NSSs(E) suivant la relation (1) montre que le signal DLTS varie en
suivant la fenêtre de détection S[en(ET)].
Les conditions expérimentales d’excitation, hau-
teur de l’impulsion AV
=Vm - VR et largeur
AT ont été fixées après l’analyse de la variation de
l’amplitude du transitoire de capacité AC à t
=0 liée
aux processus de capture sur les niveaux d’interface.
La figure 2 montre que la capture des électrons est
effectuée pour une durée d’au moins 10 ms. Une
largeur de 0,1 s et une hauteur minimum de 0,4 V
ont été fixées pour les spectres.
Les résultats expérimentaux représentés sur la figure 3a pour les structures MIS InP montrent un
signal DLTS qui présente un extremum aigu et dont l’amplitude augmente lorsque la constante de temps décroît, c’est-à-dire lorsque la vitesse d’émission
s’accroît. Cette évolution peut être comparée à la
variation mesurée de la capacité C(VR) avec la température et qui provient du déplacement du
niveau de Fermi. Cette variation est également
observée sur les structures MIS tunnel formées sur le silicium [9]. Le diagramme d’Arrhénius reporté sur
la figure 3b permet d’obtenir une énergie d’activa-
tion de EA
=0,462 eV une section de capture
Un = 1,2 x 10-16 cm+2. Les courbes Nss(E) appro-
Fig. 2.
-Variations de l’amplitude du transitoire à t
=0 et T
=300 K en fonction de a) la hauteur et b) la largeur de l’impulsion de remplissage.
[Amplitude variations of the transient at t
=0 with a) the height and b) the width of the filling pulse.]
chées par calcul de la distribution continue et
représentées sur la figure 4 mettent en évidence la
présence d’un état discret, la largeur du pic obtenue,
voisine de 3 kT, est celle de la fonction S(en). La
correction effectuée tient compte des variations C (VR) avec la température et les différentes courbes tracées pour les valeurs extrêmes de la fenêtre tl, t2 montrent que la distribution approchée NSS(E)
ne dépend pas du couple tl t2.
Un second pic, visible sur le spectre obtenu pour t1
=50 ms, apparaît à température élevée. En sup- posant une valeur identique de section de capture on obtiendrait Ec - E
=0,53 eV. La caractérisation
précise du centre associé nécessite des fenêtres de vitesse d’émission dépassant les possibilités de l’appareillage ou l’utilisation de températures trop élevées. On peut néanmoins observer que, compte
tenu de la figure 2b, il faut environ 10 ms pour saturer les pièges, ce qui conduit à 300 K dans InP dopé à 7 1016 cm-3 à une section efficace de capture de 10- 22 cm2. Une valeur aussi faible pour- rait correspondre à des états lents, par exemple des pièges d’oxyde situés au voisinage de l’interface et
échangeant les porteurs avec le semi-conducteur par
un mécanisme tunnel. La section de capture obtenue
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Fig. 3.
-a) Spectres DLTS des structures Au-oxyde plasma-InP (t2
=11,5 tl).
b) Diagrammes d’Arrhénius, pour 3 valeurs de la tension
VR, Vm = + 0,4 V.
[a) DLTS spectra of Au-plasma oxide-InP structures (t2
=11.5 tl).
b) Arrhénius diagrams for 3 bias values VR, Vm
=+ 0.4 V.]
serait alors une « section efficace effective tunnel ».
L’énergie d’activation ne pourrait plus alors être
déduite du spectre DLTS.
Fig. 4.
-Courbes de distribution d’états NSS(E) calculées
pour différentes fenêtres tl, t2.
[Nss(E) distribution curves, computed for different tl, t2 windows.]
On peut noter également que l’énergie d’activation trouvée reste comprise dans la plage 0,41 à 0,46 eV si la largeur de l’impulsion de remplissage diminue jusqu’à 20 03BCs.
La partie supérieure de la bande interdite, explo-
rée jusqu’à une distance Ee - E légèrement infé-
rieure à 0,1 eV semble exempte de défauts, aucun
autre signal DLTS n’étant enregistré pour une
température descendant à 77 K. Certains auteurs ont déjà constaté que l’oxyde natif permettait de
réduire la densité d’états au voisinage de la bande de conduction [2]. C’est un résultat intéressant que de constater qu’après un traitement complexe et comportant en particulier une phase en plasma, mais
à basse énergie, un seul état domine à l’interface. Sa
position énergétique va favoriser un blocage du
niveau de Fermi à environ 1/3 EG sous la bande de conduction, la structure MIS se trouvant en régime
de déplétion. Afin de vérifier cette hypothèse nous
avons utilisé la spectroscopie de vitesse d’émission pour tenter de déterminer la position du niveau de Fermi sans utiliser les méthodes électriques habituel-
les.
3. Détermination expérimentale de la position du potentiel de surface.
Nous avons utilisé deux modes d’excitation électri- que permettant de définir un incrément d’énergie AEF dans la bande interdite d’où provient le signal
transitoire d’émission. Le premier mode correspond
à la technique à faible impulsion conformément à la
figure 5a. Les états d’interface sont traités comme une succession continue de niveaux discrets. La
réponse des états dans l’intervalle AEF est équiva-
lente à celle produite par un niveau discret à
l’énergie ET
=E + 1 2 0394EF pour laquelle la diffé-
rence des fonctions d’occupation, f1(E) par rapport à EF + AEF et f o (E ) par rapport à EF, est maximum.
Le signal DLTS est alors le produit d’intercorrélation des fonctions S[en(E)] et [f1(E) - f0(E)]. La fonc-
tion S(en) se déplace comme précédemment en
fonction de la température et le produit sera maxi-
mum lorsque la vitesse d’émission des porteurs correspond à celle fixée par tl t2. La fonction
f, - f o est déplacée en énergie en agissant sur la
tension appliquée.
Le signal DLTS obtenu s’écrit [4] :
soit
L’énergie d’activation obtenue, si on suppose une section de capture constante, sera :
On pourra par conséquent obtenir la valeur du
potentiel de surface en choisissant une valeur faible pour l’impulsion de tension 0394VR qui permettra
d’évaluer - AEp, terme dont l’influence sera d’autant
plus faible que OVR est petit.
Fig. 5.
-a) Spectroscopie à faible niveau d’excitation, b)
double DLTS.
[a) Low level spectroscopy, b) double DLTS.]
Le second mode d’excitation, qui a été utilisé à
titre de vérification de la méthode de la faible
impulsion, correspond à l’application de la fonction de corrélation utilisée en Double DLTS et telle que
V m 1- Vm0 = 0394VR comme le montre la figure 5b.
La position énergétique ET est cette fois déplacée en
modifiant simultanément la hauteur de chaque impulsion tout en conservant constant leur écart, à
tension de repos VR fixée.
Dans les deux cas, les valeurs obtenues coïncident
aux erreurs expérimentales près. Les spectres obte-
nus en DLTS comme en DDLTS font apparaître un pic étroit typique de l’état discret équivalent à la
zone AEF, ainsi que le montre la figure 6.
Fig. 6.
-Spectres typiques a) faible excitation, b) double
DLTS.
[Typical spectra a) low level, b) double DLTS.]
Les valeurs correspondantes du potentiel de sur-
face sont déduites de la mesure de l’énergie d’activa-
tion par les courbes d’Arrhénius tracées pour chaque
tension appliquée ou pour chaque hauteur des
impulsions DDLTS. La valeur 0394VR
=0,1 V a été choisie comme compromis entre la sensibilité aux
amplitudes des variations de capacité et un faible
intervalle d’énergie AEF d’où provient l’émission
mesurée. I/Is(V) a été déduit en prenant 1 2 0394EF =
0,03 eV et qV n
=0,11 eV obtenu à partir du dopage
du semi-conducteur ND
=7 x 1016 cm- 3.
Les points obtenus sont reportés sur la figure 7 et
sont comparés en premier lieu à la courbe théorique
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03C8s(V) pour une structure MIS idéale, courbe en trait continu, et en second lieu à la courbe expéri-
mentale obtenue en utilisant la méthode d’intégra-
tion de Berglund à une fréquence permettant la
mesure de la capacité de la structure MIS tunnel, ici
1 000 Hz, mais pas suffisamment basse pour attein- dre l’équilibre. Effectivement, les états d’interface
ne répondent pas à cette fréquence, ce que confir-
ment les valeurs constantes de temps mesurées de 4 ms à 0,25 s pour les pics DLTS.
4. Discussion.
La figure 7 met en évidence un blocage partiel du
niveau de Fermi pour des tensions comprises entre
-