close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100769

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Драч Владимир Евгеньевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ
гЛ-НЕРАиЧИ ПОПОЖИТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА В ТЕРМИЧЕСКИХ
ПЛЕН1САХ SiOz МДП-СТРУКТУР В УСЛОВИЯХ УПРАВЛЯЕМОЙ
СИЛЫЮПОЛЕВОЙ ИНЖЕКЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ
Специальность 01.04.07
«Физика конденсированного состояния»
Автореферат
диссерпнии на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2005
Диссертация выполнена в Московском государственном техническом
университете им. Н.Э. Баумана (Калужский филиал)
Научный руководитель
доктор технических наук
Андреев В.В.
Официальные оппоненты
доктор технических наук
Стрельченко С.С.
кандидат технических наук
Адарчин С.А.
Научно-исследовательский
институт материалов
электронной техники
НИИМЭТ, ОАО (г. Калуга)
Ведущая организация
Зашита состоится " 26 " октября 2005 г. в 16
ч. 00 мин.
на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском
государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана
по адресу: 248600, г. Калуга, ул. Баженова, 4,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал
(г. Калуга, ул Баженова, 4)
Автореферат разослан "^У"
CS^^J'^P^
Учёный секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доц.
2005 г.
Лоскутов С.А.
T^Zr
//^4-5^^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время надежность электронной
аппаратуры и вычислительной техники в первую очередь связана с
безотказностью и стабильностью интегральных схем (ИС). Интегральные
схемы на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)
шрфоко используются в изделиях специального назначения, а также в
космической технике. Базовыми элементами большинства ИС являются
МДП-структуры с термической пленкой Si02 в качестве подзатворного
диэлектрика и металлическим или поликремниевым ( S i ) электродом.
Основным механизмом, определяющим зарядовую стабильность и
надежность МДП-ИС, работающих в критических условиях (сильные
электрические поля, радиационные облучения и т.д.), является генерация
положительного заряда в подзатворном диэлектрике. Несмотря на
интенсивные исследования данной проблемы в настоящее время нет
однозначного
понимания
физических
процессов
и
модельных
представлений, описывающих данное явление в широком диапазоне
стрессовых воздействий и изменяющейся температуры объекта. Таким
образом,
исследование температурных закономерностей генерации
положительного заряда в термических пленках двуокиси кремния МДПструктур в сильных электрических полях имеет большое научное и
практическое значение.
Одним из перспективных методов исследования параметров
зарядовой нестабильности МДП-структур является метод управляемой
токовой нагрузки, поддающийся автоматизации и позволяющий проводить
комплексное исследование параметров зарядового состояния подзатворного
диэлектрика
в
широком
диапазоне
электрических
полей
без
перекоммутации
тестируемого
образца, что
позволяет
повысить
достоверность и точность экспериментальных данных. Метод управляемой
токовой нагрузки позволяет осуществлять комплексное исследование
процессов генерации положительного заряда в пленках Si02 МДП-структур
в широком диапазоне сильнополевых инжекционных воздействий. Другим
достоинством данного метода является возможность его использования в
широком диапазоне изменений температур исследуемого образца.
Цель работы. Установление температурных закономерностей
генерации положительного заряда в термических пленках SiOj МДПструктур в условиях управляемой сильнополевой инжекции электронов в
диэлектрик. Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
1) разработка инжекционного метода исследования генерации
положительного заряда в МДП-структурах в сильных электрических полях в
широком диапазоне температур и экспериментальной установки,
реализующей данный метод;
_, ,
2) комплексное исследование прсйй€сйАЦ4ИУМ1^1?Й^Аожительного
ПИОТЕЦЛ, Т
Г
БИБЛИОТЕЦЛ,..
I I
СПетея
"3^w]
.1
..:„т
1 *
заряда в МДП-стр\кт\рах в силыи.:\ злекгрических полях в широком
диапазоне температур:
3)
разрабожа
магематчсскоП
модели.
учи1ывающсй
темперагури\ю зависимое 1Ь генерации 110.1ожи1ельного 5аряда в М Д П cipjKiypax в условиях управляемой силыюиолсвой иижекции элекфонов.
4) оценка качества и совершенствования
технологического
процесса
изготовления
подзатворного
диэлектрика
МДП-ИС
по
icMHepaiypHoR зависимости генерации положительного заряда.
Н а у ч н а я новизна.
1. Разработан новый метод двухуровневой токовой нагрузки для
исследования
(емпературной зависимости генерации положи гельного
заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур в условиях управляе\той
сильнополевой инжекции электронов из кремния, в котором наряду со
cipeccoHbfM уровнем юка, обеспечивающим генерацюо положительного
заряда, вводится измеригельный уровень инжекционного тока, на котором
осуществляется оценка изменения заряда диэлектрика.
2. Впервые установлены температурные зависимости генерации
ииложи1ельно1о заряда в МД1 f-структурах Si-SiOi-AI и S i - S i O r S i
с
• ермичсской пленкой SiO^ толщиной oi 7 н.м до 90 нм в сильных
электрических полях в диапазоне температур от -50 до 150 " С .
3. С использованием метода двухуровневой токовой нафузки
получены качесгвенно новые ^ксперимснгальиыс данные, характеризующие
температурную
зависимость
генерации
положительного
заряда
в
термической пленке S i O i М Д П - с ф у к т у р при плотностях туннельного тока
10"-^ I ЛУсм", Определены параметры термической ионизации дырочных
ловушек.
4. Разработана учитываюгцая температурную зависимость модель
генерации положительного заряда в МДП-структурах. основанная на
использовании след\ющих процессов изменения зарядового состояния
оораща: межзонная ударная иони!ация в S i d с созданием электроннодырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; захват накопленными
дырками инжектированных электронов: термическая ионизация дырочных
ловушек.
П р а к т и ч е с к а я ценность работы.
1. Разработан меюд исследования 1енерации положи 1ельно1 о
заряда МДП-cipyKiyp в сильных элекфических нолях в условиях инжекции
заряда в дизлек-фик, мозво.1я1ощий коифОлирова1ь изменение зарядовою
сосюялия подзажорною диэлекфика при различных leMiieparypax.
2.
Разработана
авюмашзированная
ус1ановка
определения
заряловых харак1ерис1ик МДП-сфук1ур, реализующая предложен ньн^
меюд.
3.
Проведено
сравни lejibHoe
исследование
(енерации
1юложи1ельно1о заряла в М Л П - с ф у м \ р а х в сильных элек1рических rio.i>i\
при
различных
температурах,
изготовленных
по
различным
технологическим режимам. Определена связь технологических режимов с
зарядовой стабильностью МДП-ИС.
4. Предложена модель оценки изменения зарядового состояния
МДП-структур, позволяющая прогнозировать кинетику зарядового
состояния МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции
при различных температурах.
5.
Предложены
рекомендации
по
совершенствованию
технологического процесса изготовления подзатворного диэлектрика
КМДП-ИС на ОАО "Восход"-КРЛЗ (г. Калуга).
6.
Предложены
рекомендации
по
совершенствованию
технологического процесса изготовления диэлектрических пленок ИС на
ЗАО "ОКБ-МЭЛ" (г. Калуга).
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Метод двухуровневой токовой нагрузки, обеспечивающий
сильнополевую инжекцию электронов в диэлектрик, для исследования
температурной зависимости генерации положительного
заряда в
термической пленке Si02 МДП-структур.
2. Температурная зависимость генерации положительного заряда в
термических пленках ЗЮг МДП-структур в условиях управляемой
сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик.
3. Модель генерации положительного заряда в термических
пленках SiOi в условиях управляемой сильнополевой инжекции электронов,
учитывающая термическую ионизацию дырочных ловушек.
4. Результаты использования двухуровневого инжекционного
метода для контроля генерации положительного заряда в диэлектрических
пленках интегральных микросхем со структурой МДП в условиях
промышленного производства.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались
на
Юбилейной
Всероссийской
научно-технической
конференции «Профессивные технологии, конструкции и системы в
приборе- и машиностроении» (Калуга, 1999г.), X X X I V
чтениях,
посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.
Циолковского (Калуга, 1999г.), Всероссийской научно-технической
конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в
приборо- и машиностроении», (Калуга, 2000г.), 1-ой Российской
конференции молодых учёных по математическому моделированию
(Москва, 2000г.), Региональной научно-технической конференции студентов
и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в
приборо- и машиностроении» (Калуга, 2000г., 2001г., 2003г., 2005г.), Второй
международной конференции «Advances in Modem Natural Sciences»
(Калуга, 2000г.), 1-ой Российской конференции молодых ученых по
физическому материаловедению (Калуга. 2001г.), Межвузовской научной
игколе мололых спетшалистов «Концентрированные потоки энергии в
космической гехиике. wiCKipoiniKC, в к о л о т и и медицине» (Москва, 200li.),
X I Межнациональном совещании «Радиационная физика шердою icjia»
(Москва,
200li.).
Всероссийской
на>чио-1сми1чсской
конференции
«Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и
машиностроении» (Москва, 2001г.), Восьмой всероссийской межвузовской
ис1учио-1еАнической
конференции
с1удеи1ои
и
aciuipaiiiou
«Микроэлектроника и информатика - 2001» (Москва, 2001г.), 6- Русскокитайском международном симпозиуме «New Materials and Technologies in
ilst
Century»
(Пекин.
2001г.).
Региоиалыюй
Ешччио-техиической
кинференцми с1улентов и аспирантов
«Прогрессивные технологии,
конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2002г), ЕM R S ' 2 0 0 2 Spring Meeting (Страсбург. 2002г.), A V S 49th International
Symposium (Денвер, 2002г.), I l l Межвузовской научной школе молодых
специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике,
электронике, экологии и медицине» (Москва, 2002г.), Межд\ народном
научно-методическом семинаре «lilyMOBbie и деградационные процессы в
милупроводниковых
приборах»
(Москва,
2002г.),
Международной
конференции «Физика элемронных мсисриалов» (KcLiyid, 2002i., 2005i.),
n t h International Congress on Thin Films & 8th International Conference on
Atomically
Controlled
Surfaces.
Interfaces
&
Nanostructures
(Стокгольм, 2005г.).
Пубпикяцин
По теме аигсергяиии опубпиконяно ''S рябот
Р с з у л ы а г ы диссертационной paooibi вошли в науч11о-1с.кничс(,м1е и1чс1ы
1]о
хоздиюворным
и
гисбюджоным
НИР,
выиилисниым
при
непосрсдитвсничм ч ч а н и и dBrupa.
C i p v M v p d и оСЗьём работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, биб.шографичсского списка из 155 наимеиований и
п р и л о ж е н и я . Оис1 с о д е р ж и !
1 8 2 С ф с И Ш и Ы к^КиОЗМиЙ н у м е р а ц и и . 3 1Й13ЛИЦЫ и
59 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ
РАБОТЫ
В « нпсдснии ибоснована актуальность темы, сформулирована цель
и }алачи иссле.ювампй, определены на\чная новизна и практическая
ценность
резу.тыаюн
работы, представлены
основные
положения,
выносимые на защи1у.
В
первой 1лаве иа основе аналим jiiiicpdiypHbix данных
рассмотрены, процессы зарядовой нсс1абильности в МД11-С1р\К1Л'рах в
сильных э.1Смричсски\ полях, В.1ИЯНИС юнсрации положиrc.ibHorо заряда
на обшую ифядовчю HcciaGnjTbHocib в МД11-cip\Ki>pa\ в си.1ьны\
электрических полях, существующие методы исследования зарядового
состояния МДП-структур, их критическая оценка. Рассмотрены установки,
применяемые для реализации электрофизических методов исследования
зарядового состояния МДП-структур.
Рассматриваются существующие в настоящее время модели
зарядовых явлений в термически выращенных плёнках Si02 на кремнии при
воздействии сильных электрических полей. Отмечается, что процессы
зарядовой деградации МДП-структур Si-Si02-Al и Si-Si02-Si исследованы
недостаточно, имеющиеся данные противоречивы. Особый интерес
представляет изучение зарядовой деградации МДП-структур в сильных
электрических полях, приводящих к инжекции носителей заряда в
диэлектрическую плёнку. Наибольший вклад в зарядовую нестабильность
подзатворного диэлектрика при сильнополевой туннельной инжекции
вносят следующие основные процессы: накопление положительного заряда,
захват электронов на существующие ловушки, возрастание плотности
поверхностных состояний на границе раздела Si-Si02.
В результате были поставлены задачи и выбраны объекты для
исследования.
Во второй главе предложен метод двухуровневой токовой
нагрузки для исследования температурной зависимости генерации
положительного заряда в МДП-структурах в сильных электрических полях в
широком диапазоне плотностей инжекционного тока.
Показано, что использование метода постоянного тока, обычно
применяющегося для исследования процессов генерации положительного
заряда в МДП-структурах, может приводить к существенным ошибкам в
получаемых экспериментальных данных. При использовании метода
постоянного тока, заключающемся в пропускании через МДП-структуру
постоянного тока заданной величины, после заряда емкости МДПструктуры и выхода на режим сильнополевой инжекции по ФаулеруНордгейму о зарядовом состоянии диэлектрика можно судить по изменению
напряжения на структуре в режиме инжекции. При этом для вычисления
изменения напряжения на МДП-структуре за начальное напряжение
принимается максимальное напряжение на МДП-структуре при выходе на
режим инжекции, и генерация положительного заряда, имеющая место на
стадии выхода на режим инжекции, не учитывается. Поэтому оценки
плотности положительного заряда, полученные данным методом, при
высоких плотностях инжекционного тока дают заниженные значения.
Кроме того, большинство исследователей не рассматривают влияние
температуры образца, которая, в общем случае, может быть переменной в
течение эксперимента, на результирующую зависимость генерации
положительного заряда в МДП-структурах.
Для устранения
указанных
недостатков
был разработан
специальный алгоритм управления токовой нафузкой, прикладываемой к
образцу. На МДП-структуру подается два уровня инжекционного тока -
стрессовый Is и измерительный I,,,. Генерация положительного заряда в
подзатворном диэлектрике проводится амплитудой стрессового тока IsЛми-'нпуда измсри|сльн010 юка 1,,, выбирается на несколько порядков
меньше Ц . исходя н? >словия минимальной зарядовой дсфадацни
ли)лск1рика, вносимой л и м IOKOVI.
Изменение зарядового состояния МДП-сгр>кт\ры при снльиополевой
иижекции оценивается по изменению напряжения на МДП-стр\кт>ре при
юке
1^. За
начальное
напряжение
принимаегся
напряжение,
соответствующее выходу на режим иижекции при токе ! „ . Очевид1Ю. что на
величин)
этого
напряжения
не
оказывает
влияние
накопление
положительного заряда на начальной стадии иижекции при установлении
cipeccoBoio юка Ц. Таким образом, изменение напряжении при ю к е Ig,
учитывает
положительный
заряд,
генерированный
в
пол}атворном
диэлектрике,
при
выходе
МДГ1-структ>'ры
на
режим
инжекции,
сио1вс1С1вуюи1ий стрессовому току, поэтому значительно снижается
но1решноС1ь. 11рис\щая мсюду
носюянною
юка. Все
измерения
предлагается проводить в режиме термостатирования образна. Кроме того,
оказывается возможным исследовать качество и оценивагь параметры
ди^Jfeкlpикa
МД11-структ\'ры
на
основе
анализа
температурных
зависимостей напряжения на образце от времени инжекции.
При исследовании процессов генерации положительного заряда
может использоваться импульсный кратковременный переход из режима
ifpoicKaHHM cfpcccuBoro roKd Ц в режим измерительного тока !,„ и обратно.
Д/нпельность с ф с с с о в о ю режима выбирается из условия требуемой
дискрегности контроля величины тенсрированного тюложигсльиого заряда
и. в общем случае, может измениться тта раз;тичных стадиях инжекции.
Длительность измерительного режима должтта обесттсчивать ттсреход М Д П LTpyMjpbT в режим инжекции зарядст током 1,,, и не оказывать с>шест венного
влиянии Tia зарядовое состояние образца.
Для
реализации
вышеописанного
метода
была
разработатга
автоматизированная
установка
контроля
napavicTpoB
МДП-структур.
Установка имеет следу ющтте остювные параметры:
- диапазон токовьтх воздействий
10'
^ 10" А :
- амплитуда вы.чодттого ттапряжения,
±200 В:
- точттость измеряемого ттапряжения
1 мВ;
- частота из.мереттттн,
10' Гц.
При исследовании процессов генерации зарядов, оОразутошихся в
Подзатворном лиJJтe^.lpикt: МД11-структ\р в СИЛЬНЫХ электрических полях,
Важной xapaTCiepncmhofi ттрименяемы.ч измерИ1ельных средств м1{.1ме1СЯ ИХ
быстродействие. Применение быстродействующих устройств позволяет
pei истрировагь быстро изменяютниеся компонентьт заряда и. следовательно,
полечить более полную картину изменения зарядового состояния М Д П С1руктчр и сильных ^.1емр1-гчески\ тюля.ч. Причем быстродействие
jLiaHUBOK
,(ля
илдании
соотетствуютци.ч
т1)К01То.|ены,ч
режимов
oipaHHUMHaeiLx ио мнит ом не сто.1ьм) быстродействием применяемых Ц А П
и АЦП, сколько процессами перезаряда емкости МДП-структуры. С этой
целью были разработаны специальные алгоритмы изменения токополевых
режимов МДП-структуры, работающих в режиме реального времени и
основанных на непрерывном измерении напряжения на МДП-структуре,
сопоставлении получаемых данных с моделью переноса заряда через МДПструктуру и чередовании режимов постоянного тока и напряжения.
Применение режимов постоянного напряжения позволяет значительно
сократить время заряда емкости МДП-структуры при переходе из одного
токового режима в другой.
Рассмотрено совместное использование метода двухуровневой
токовой нагрузки и метода C-V-характеристик. Отмечается, что совместное
использование
этих методов
позволяет разделить объемные и
поверхностные заряды, накапливающиеся в МДП-структурах при
сильнополевой инжекционной деградации, и тем самым значительно
повысить достоверность получаемых экспериментальных данных.
Описываются метод и установка, использовавшиеся для
исследования температурных зависимостей генерации положительного
заряда в подзатворном диэлектрике МДП-транзисторов.
В
третьей
главе
приведены
результаты
комплексного
исследования влияния температуры на генерацию положительного заряда в
термических пленках SiOa МДП-структур в условиях сильнополевой
управляемой инжекции электронов в диэлектрик. Изучено влияние режимов
инжекции и толщины диэлектрической пленки на температурную
зависимость генерации положительного заряда в МДП-структурах.
Установлено, что температура оказывает существенное влияние на
инжекционную дефадацию МДП-структур. С увеличением температуры
доминирующим процессом зарядовой деградации становится захват
электронов на электронные ловушки в объеме двуокиси кремния, а процесс
генерации и накопления положительного заряда постепенно ослабевает.
Электронный захват становится доминирующим механизмом зарядовой
деградации при температурах выше 50 °С. При температуре 150 °С
наблюдается насыщение зависимости, характеризующей накопление
отрицательного заряда в диэлектрической пленке МДП-структуры.
На рис. 1 представлены зависимости изменения напряжения на
МДП-структуре при туннельной по Фаулеру-Нордгейму (Ф-Н) инжекции
электронов из кремния от величины инжектированного заряда для
плотности инжекционного тока 10"^ А/см^, температура образца
варьировалась в диапазоне 18 -^ 100 °С.
lo-n-D-o-o-D.D-o-o-o-a-oO-O'O-D-0-о-она-о онз-о-очз-оча-п
3
— 1 ~t>- 1'
2 -д- 2'
— 3 -o- 3*
-i.
f^.s.^m^ii^.^i^»^*^^'^***^-'^
^-
-8
• ^wa^s
0
0.5
■-oia^N»-»»,
Х>ЧН>Ч>-<>.<>Ч>^<><>,<>а(>.о^л<>л.«^л>^-о^эад<)|'
1.5
2
2.5
3
3.5
QJJ^.MKJI'CM'^
Рис. I. Сдвиг напряжения на МДП-структуре под действием
туннельной инжекции Ф-Н электронов из кремния в зависимости от
инжектированного заряда при плотности тока I мА/см^ для различных
температур образца: I, 1' - 18 °С; 2, 2' - 50 °С; 3, 3' - 100 °С. Кривые 1, 2, 3
получены методом постоянного тока, а Г, 2', 3' - методом двухуровневой
токовой нафузки при плотности измерительного тока 10'^ А/см^.
Кривые 1,2,3 (рис. 1) измерены в режиме постоянного инжекционного
тока. Кривые Г, 2', 3' (рис. 1) измерены в режиме двухуровневого
инжекционного тока и соответствуют изменению напряжения на образце
при плотности измерительного тока 10'' А/см^. При изменении плотностей
инжекционного стрессового тока в диапазоне 10"^ А/см^ - 0,1 А/см^ кривые,
описывающие сдвиг напряжения на МДП-структуре от величины
инжектированного заряда, имели характер, аналогичный показанному на
рис. 1.
Установлено, что с ростом температуры наблюдается снижение плотности
положительного заряда, что может быть связано с термической ионизацией
части дырок, захваченных на ловушки. Характер экспериментальных
зависимостей, полученных методом постоянного тока, хорошо согласуется с
литературными данными. При малых плотностях
инжекционного
стрессового тока изменения положительного заряда диэлектрика,
измеренные в режиме протекания постоянного тока и в режиме
двухуровневого токового воздействия, практически совпадали. При
плотностях инжекционного тока 10"А/см^ при комнатной температуре и
ниже изменения напряжения приложенного к структуре во время инжекции
AV|, измеренные методом двухуровневой нагрузки, превышали AV\,
измеренные методом постоянного тока (рис. 1, кривые 1, Г). Причем это
различие увеличивается с возрастанием плотности тока, при которой
проводилась генерация положительного заряда. Таким образом, при
больших плотностях инжекционного тока метод постоянного тока дает
заниженные значения величины положительного заряда и не может быть
использован для исследования кинетики накопления положительного заряда
на начальном этапе его генерации. Использование предложенного
двухуровневого токового воздействия позволяет значительно повысить
точность определения величины положительного заряда во всем диапазоне
сильнополевых воздействий и, в результате, получать качественно новую
информацию о процессах генерации положительного заряда. При
температуре 50 °С сдвиг напряжения AVi, полученный методом постоянного
тока и двухуровневой токовой нагрузки, имеют одинаковую величину (рис.
1, кривые 2 и 2'). При температуре 100 °С метод двухуровневой токовой
нагрузки дает заниженные значения AVj (рис. 1, кривая 3') по сравнению с
методом постоянного тока, что связано с релаксацией части положительного
заряда за время переключения на измерительный уровень тока,
наблюдающейся при повышенных температурах.
Следовательно, при больших плотностях инжекционного тока при
температурах ниже 50 "С метод двухуровневой токовой нагрузки дает более
точные значения сдвига напряжения на МДП-структуре в результате
накопления положительного заряда, а при высоких температурах
необходимо уменьшать длительность измерительных участков !„,, что с
учетом переходных процессов затрудняет контроль процесса генерации
положительного заряда, и в этом случае целесообразно использовать метод
постоянного тока.
Установлено, что изменение сдвига напряжения в МДП-структурах
с тонкой термической пленкой Si02 (7 им) имеет тот же характер, что и для
МДП-структур с толстыми термическими пленками Si02 (90 им), однако
величина инжектированного заряда, при которой наступает насыщение
генерации положительного заряда становится значительно выше:
0,1-1 Кл/см1
На рис. 2 представлены температурные зависимости плотности дырок,
накапливающихся в пленке Si02 МДП-структур, при различных плотностях
туннельного тока.
10'-
Psat,
,-2
CM"
10' -.
I о" 4
ir.
1 -O-d
=90HM,J=10''A/CM-
2—ir~d
=90HM.J=10"'A/CM*
On
■'
3 -V-d^,=90 HM,J=10^A/CM'
4 - O - d = 7 HM, 1=10"'A/CM*
at
10'
30
32
34
36
ITCT, Э Б
38
•1
40
''
42
44
46
Рис. 2. Температурная зависимость плотности дырок, захваченных на
ловушки в пленке Si02 МДП-структур, при различных плотностях
инжекционного тока: 1 , 4 - 1 мА/см^; 2 - 0,1 мА/см^; 3 - 0,01 мА/см^.
Кривые 1,2,3 получены для МДП-структур с do
с d„v=7 нм.
90 нм, а 4 - для структур
Плотность дырок рассчитывалась из сдвига напряжения на МДП-структуре
в процессе инжекции, причем AV] при температурах ниже 50 ° С измерялись
методом двухуровневой токовой нафузки, а при температурах выше 100 ° С
методом постоянного тока. Как видно из рис. 2, все кривые спрямляются в
полулогарифмических координатах р(1/Т) и имеют близкий наклон. Причем
толщина окисла в МДП-структурах и технология изготовления образцов
оказывает
незначительное
влияние
на
эти
зависимости.
Энергия
термической ионизации дырочных ловушек, определенная из зависимостей,
показанных на рис. 2, составляла 0,09 - 0,2 э В .
Ч е т в е р т а я глава посвящена разработке и исследованию модели,
учитывающей влияние температуры на генерацию положительного заряда в
подзатворном диэлектрике МДП-структур в условиях сильнополевой
туннельной инжекции электронов.
В предложенной модели учитываются следующие механизмы
изменения зарядового состояния МДП-структуры в процессе сильнополевой
инжекции электронов: межзонная ударная ионизация в Si02 с образованием
электронно-дырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; захват
10
накопленными дырками инжектированных электронов; термическая
ионизация дырочных ловушек.
Анализ жспериментальных данных, приведенных на рис. 2.
позволил сделать вывод о наличии термической иони?ации части дырок,
захваченных на ловушки в окисле и ввести в дифференциа.1ЬНое уравнение
для определения плотности дырочного заряда член, описывающим
термическую ионизацию дырочных ловушек;
'jt
Л- = Л ■[('"-1) + /?1-о-,,-('V - р ) - 7 „ сг,, /j-^/jve.vp
кТ
(1)
где q - заряд электро1га; р - плотность дырок, накапливаемых в SiOi; J„
плотность инжекционного тока: (m 1) коэффициент генерации дырок (rnкоэффициент умножения электронов); g - коэффициент генерации дырок из
анода; Np и ар - плотности и сечения захвата дырочных ловушек в SiO^: ст,, сечения захвата инжектированных элекфонов заполненными дырочными
ловушками; v - частотный фактор; к - постоянная Больцмана; Т абсолютная температура; ДЕ^,' приведенная энергия ионизации дырочных
ловушек.
Для толщин окисла больше 30 нм параметры, входящие в
выражение (1) были следующими: Ор = 510''" см": а, = МО"'* см";
Np- М О " см--; N,= i.510'^ см"-; Е,ь' - 6,4 МВ/см: tj - 8.2 нм; t,= 1,56 нм;
Ро - 9-10"^ нм; Р] = 3 нм; bo = 1 ■ 10"'^ МВ/см, а для толщин менее 30 нм:
E,h' = 3.8 МВ/см: Р, = 5,5 нм: Ор -4-I0-'* см^; Np= 3,5-10'" см'"; Ц = 7 нм;
td= 1,5 нм; ti=21,6 нм.
На основе результатов моделирования были определены параметры
термической ионизации дырочных ловушек. Энергия активации дырочных
ловушек составляла 0,1-0,2 эВ, что хорошо согласовывалось с
экспериментальными данными, представленными на рис. 2. Величина
частотного фактора v лежала в диапазоне 300-1000 с'.
Проведена оценка корреляции результатов, полученных при
использовании модели, и экспериментальных данных, измеренных в
широком диапазоне температур. Показано, чго предложенная модель,
построенная .для структур Si-Si()2-Al, может быть применена для описания
изменения зарядово10 сосюяния при сильно1юлевой инжекции МДПструктур с поликремниевым электродом, легированным фосфором.
На рис. 3 приведены экспериментальные, по.гученные меюдом
двухуровневой токовой нагрузки, и теоре i ические, рассчитанные па ос1Юве
предложенной модели, зависимости изменения напряжения на МДПструктуре Si-Si02-AI, харак1еризующие температурную и по.1еиую
зависимости генерации положительного заряда при различных режимах
инжекции.
ли, в
*
4'
Рис. 3. Экспериментальные (1,2,3) и теоретические ( Г , 2', 3') изменения
напряжений AVj, характеризующие генерацию положительного заряда на
МДП-структуре в процессе туннельной инжекции электронов из кремния в
режиме протекания стрессового тока плотностью 10''' А/см^ и 10'^ А/см^, в
зависимости от величины инжектированного заряда.
1, Г, 2, 2' - плотность тока 10'^ А/см^;
3, 3', 4, 4' - плотность тока 10'^ А/см^
1, Г, 3, 3' - температура образца 18 °С;
2, 2', 4, 4' - температура 50 °С
Результаты расчетов с применением описанной модели хорошо
коррелируют с полученными экспериментальными данными в достаточно
широком диапазоне плотностей инжекционных токов и температур. Таким
образом, разработанная модель позволяет учитывать термически-зависимые
процессы, протекающие в пленке Si02 МДП-структур в процессе
сильнополевой инжекции электронов, и повысить точность определения
плотности положительного заряда.
Показано, что при рассмотрении процесса изменения зарядового
состояния подзатворного диэлектрика необходимо учитьшать не только
отдельные механизмы накопления зарядов, но и их взаимное влияние и
изменения локальных электрических полей в диэлектрике, обусловленные
влиянием захваченных зарядов.
Показано, что использование предложенной модели для описания
процессов генерации положительного заряда в МДП-структурах с тонкими
диэлектрическими пленками менее 10 нм также хорошо согласуется с
экспериментальными данными.
12
в пятой главе рассмотрены основные направления практического
применения метода двухуровневой токовой нагрузки и результатов
исследования
генерации положительного
заряда в подзатворном
диэлектрике МДП-структур с учетом температурной зависимости в
производстве МДП-ИС.
С использованием метода двухуровневой токовой нагрузки
осуществлено комплексное исследование режимов технологической
операции получения ползатворного дизлектрика КМДП-ИС серий 564. 1095
на ОАО "Восход" - Калужский радиоламповый завод. Ире.гтожено при
производственном контроле качества подзатворного диэлектрика КМДП-ИС
методом двухуровневой токовой нагрузки в качества информативного
параметра использовать минимальную величину приращения напряжения
на МДП-структуре в процессе инжек1щи заряда. Данный ггараметр
пропорционален плотности сгенерированного положительного !аряда в
режиме
насыщения. Полу>генные экспериментальные
швисимосги
позволили скорректировать режимы проведения операции получения
подзатворного диэлектрика.
Показано, ч ю температура оказывает существенное влияние на
процессы генерации положительного заряда в МДП-Сфуктурах при
сильнополсвой инжекции, и учет температурной зависимости генерации
положительного
заряда
является
обязательным
условие.м
при
производственном контроле качества подзатворного диэлектрика КМДП-ИС
инжекционными методами.
С использованием метода двухуровневой токооой нагрузки пропедепа
сравнительная
оценка
зарядовой
стабильности
МДП-структ>'р,
изготовленных по различным технологиям. Установлено, что проведение
окисления во влажной среде при понижегпшх температл'рах окисления
позволяет получать диэлектрические слои с пониженной плотностью
положительного заряда во всем диапазоне рабочих температур. Найдены
статистические распределения параметров, характеризующих процессы
генерации положительного заряда по пластине д,пя М/Щ-структур,
изготовленных по различным технологическим процессам. Отмечается, что
пидзагворный диэлектрик, выращенный в парах воды, .характеризуется
меньшей генерацией положительного заряда при инжекции заряда в
сильных Jлeкгpт1qecки.\ нолях и большим числом вновь созданных
)лектронных ловушек. Эти данные хорошо согласуются с моделью
перераспределения водорода в диэлектрике 1юсле сильнополевой
туннельной инжекции.
Предложены
рекомендации
по
совершенствованию
1ехноло1ического П{)1Шесса по.гучения диэлектрических пленок ИС серий
К1055, I/э, 174. 526 на ЗАО "ОКБ-МЭЛ", направленные на повышение
зарядовой стабильности приборов.
Разработаны
рекомендации
по
режимам
иижекционной
модификации
МДП-приборов,
позволяющие
получать
требуемые
и
характеристики температурной зависимости генерации положительного
заряда и тем самым минимизировать процессы зарядовой деградации
диэлектрических пленок.
Общие выводы
1. Разработан метод двухуровневой токовой нагрузки для
исследования генерации положительного заряда в термигческих пленках
МДП-структур в сильных электрических полях в условиях инжекции заряда
в диэлектрик, позволяющий определять характеристики генерационных
процессов в МДП-структурах без перекоммутации испытуемого образца.
2.
Установлены
температурные
зависимости
генерации
положительного заряда в МДП-структурах Si-Si02-Al и Si-Si02-Si* с
термической пленкой ЗЮг толщиной от 7 нм до 90 нм в сильных
электрических полях при плотностях тока от Ю"* А/см^ до 1 А/см^ в
диапазоне температур от -50 до 150 °С.
3. Разработана учитывающая температурную зависимость модель
генерации положительного заряда в МДП-структурах, основанная на
использовании следующих процессов изменения зарядового состояния
образца: межзонная ударная ионизация в Si02 с созданием электроннодырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; захват накопленными
дырками инжектированных электронов; термическая ионизация дырочных
ловушек.
4. Проведено моделирование кинетики накопления положительного
заряда, учитывающее температуру образца и режимы инжекции, в том числе
за пределами возможностей экспериментальных методов.
5. Получены на основе применения метода двухуровневой токовой
нагрузки качественно новые экспериментальные данные, характеризующие
температурную зависимость генерации положительного заряда в
термической пленке Si02 МДП-структур при больших плотностях
туннельного тока: 10'^ -^ 1 А/см^.
6. Разработана автоматизированная установка определения
зарядовых характеристик МДП-структур на основе предложенного метода,
позволяющая проводить исследование зарядового состояния МДП-структур
в диапазоне токовых нагрузок 10'" А -^ 10"* А при изменении температуры
от-50 до+150 °С.
7. На основе экспериментальных и теоретических исследований
температурных
зависимостей
генерации
положительного
заряда
разработаны рекомендации по корректировке технологического процесса
получения подзатворного диэлектрика серийно выпускаемых КМДП-ИС
564 серии на ОАО "Восход" - Калужский радиоламповый завод и ЗАО
«ОКБ МЭЛ», что позволило повысить качество выпускаемых интегральных
схем.
В заключении обобщены результаты проведённых исследований.
14
в приложении приведён акт об использовании результатов
диссертационной работы на предприятии ОАО "Восход" - К<1лул'ский
ралио.1амиовый завод (г. Калуга), а гакже акт об использовании ре5улыагои
диссер|ацнонной работы на предприятии ЗАО "ОКБ М Э Л " (г. Калуга).
Основное содержание диссергации отражено в следующих pa6oiax:
1.
Метод двухуровневой гоковой нагрузки для контроля
параметров положительного заряда МДП-структ\р в сильных электрических
полях /В.В. Андреев, В.Г. Барышев, Г.Г. Бондаренко, В.Е. Драч /'
Перспективные материалы. 2003. N5.-0.94-99.
2.
Исследование процессов сильнополевой инжекционной
модификации и деградации МДП-структур / В.В. Андреев, Г.Г. Бондаренко,
В.Т. Дегтярев, В.Е. Драч /,' Перспективные материалы. - 2004. - № 2. С. 20-27.
3.
Plasma and injection modification of gate dielectric in MOS
structures / G.G. Bondarenko, V.V. Andreev, A.A. Stolyarov, V.E. Drach /' Thin
solidfilms.-2003. - V.427. - P.377-380.
4.
Андреев В.В., Драч В.Е., Орехов С Ю . Контроль качества
КМДП-ИС с учетом температурной зависимости генерации положительного
заряда методом управляемой токовой нафузки И Труды МГТУ. - 2005, № 5 . - С . 19-24.
5.
Влияние сильнополевой инжекции на дефектность МДПструктур / В.В. Андреев, В.Г. Барышев, В.Е. Драч. М.А. Столяров //
Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах:
Магериалы Международ1Гого научно-методического семинара. - М., 2002. С. 170-174.
6.
Драч В.Е., Столяров М.Л., Ткаченко А.Л. Исследование
ста I ис I йчсского распределения параметров МДП-структур. подвергшихся
инжекционной модификации '/ Концентрированные потоки энергии в
космической технике, электронике, экологии и медицине: Материалы
III Межвузовской научной школы молодых специалистов. - М., 2002. е.111-115.
7.
Метод контроля релаксирующих зарядов в МДПструктура.х после воздействия ионизирующих излучений / В.Г. Варышев.
В.Е. Драч. Г.Г. Бондаренко и др. /7 Радиацпониая фй}ика твердого 1сла.
Тр\дь1 X I Межнационального совещания. - М . , 2001. -С.428-432.
8.
Лоскутов
С.А.,
Чухраен
И.В.,
Драч
В.
Е.
Авгомагизированная
установка
для
исследования
параметров
дил1ек1ричеслих слоев МДП-струыур V Приборостроение-2001. Материалы
Международной научно-гехн. конф. -Симеиз-Винница, 2001.-C.20.
9.
Degradation and .Modification ol Gate Dielectric in MOS
Structures by High-field Multilevel Current Stress / G.G. Bondarenko, V.V
Andreev, A.A. Stolyarov, V.L. Orach / AVS: Proc. of the 49th Intemdiional
Symposium. - Denver (USA). 2002. - Abstract Number. 291.
10.
Драч В.Е.
Исследование влияния температуры на
генерацию и генерацию положительного заряда в диэлектрической пленке
МДП-структур //Прогрессивные технологии, конструкции и системы в
приборе- и машиностроении: Материалы региональной науч.-тех.
конференции студентов и аспирантов. - Калуга, 2002. - С.89.
11.
Драч В.Е.
Исследование
МДП-транзисторов
после
сильнополевой инжекции по проходным характеристикам // Профессивные
технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении:
Материалы региональной научно-техническая конференции студентов и
аспирантов. - Калуга, 2003. - С.29.
12.
Study of temperature dependence of positive charge generation
in thin dielectric film of MOS structure under high-fields / G.G. Bondarenko,
V.V. Andreev, V.E. Drach et al. // Proc. of the 13th International Congress on
Thin Films & 8th International Conference on Atomically Controlled Surfaces,
Interfaces & Nanostructures. - Stockholm, 2005. - P.86.
Investigation of temperature dependence of positive charge generation in MOS
structures under high-field electron injection / V.V. Andreev, V.E. Drach,
S.A. Loskutov, A.A. Stolyarov // FIEM-05: Proc. of the International conference.
- Kaluga, 2005. - P.92.
16
Драч Владимир Евгеньевич
,
Исследование температурной зависимости
генерации положительного заряда в термических
пленках Si02 МДП-структур в условиях управляемой
сильнополевой инжекции электронов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 22.09.2005г. Формат бумаги 60x84 1/16.
Бумага типофафская № 2. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0.
Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.
Московский государственный
технический университет имени Н.Э. Баумана
Калужский филиал
248600, г. Калуга, ул. Баженова, 4.
IH18521
РНБ Русский фонд
2006-4
19622
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
870 Кб
Теги
bd000100769
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа