Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

сказывается и на величине эффективной массы. По данным расчетов, приведенным в [38] для Si02 толщиной 2,2 нм, эффективная масса равна 0,0095/и0, а для 3,3 нм ОЛЗт^. Как показали В. Харелл и Дж. Фрей при приложении внешнего электрического поля, наряду с изменением высоты потенциального барьера за счет наклона зон и сил зеркального отображения, требуется учитывать эффект Пула—Френкеля. Далее приведена модельная зависимость потенциального барьера от напряженности электрического поля [37]:
...
где ; , (В-см2)1/3; , (В • см)1/2.
...
По результатам расчетов высоты потенциального барьера на границе кремний—двуокись кремния показано [38], что в изменении потенциального барьера можно выделить три области: слой нестехиометри-ческого оксида SiOx
...
Особое место в исследовании дефектности и зарядовой нестабильности МДП-структур принадлежит методам, использующим инжекцию носителей в диэлектрик, в силу их чувствительности именно к электрически активным дефектам. Данные методы обладают высокой достоверностью, экспрессностью и могут быть применены в автоматизированных системах операционного технологического контроля в производстве МДП-БИС.
...
Развитие инжещионных методов исследований и контроля осуществляется в трех основных направлениях. Первое — повышается их информативность с целью получения новых данных, которые не могут быть получены с использованием других методов исследования. Второе — развивается совместное использование инжекционных методов исследования с такими традиционными методами, как вольт-фарадные характеристики (ВФХ), зарядовые накачки, токи термостимулированной деполяризации (ТСД) и другие. Причем многие возможности этих традиционных методов могут быть реализованы в рамках инжекционных методик [39]. Третье — учет требований производства интегральных схем, важнейшими из которых являются: сокращение времени проведения контрольно-измерительных операций, уменьшение степени влияния на характеристики контролируемых структур, точная дозировка инжекционных воздействий, повышение информативности, снижение
...
Экспериментальные зависимости туннельного тока от напряженности катодного электрического поля принято рассматривать в координатах Фаулера-Нордгейма . По наклону полученной прямой определяют высоту потенциального барьера на инжектирующей границе раздела.
...
Из зависимости плотности тока от напряжения при известной высоте потенциального барьера может быть определена толщина пленки диэлектрика Тох с применением итерационного метода расчета, предложенного X. Аймеришем-Хаметом и Ф. Кампабадалом и основанного на использовании выражения:
...
На зависимость туннельного тока от напряжения существенное влияние оказывают плотности зарядов, захваченных в диэлектрике, и места их локализации. Положительный заряд в диэлектрике МДП-структуры сдвигает ВАХ в сторону меньших напряжений, отрицательный — в сторону больших. Поэтому сдвиг ВАХ МДП-структур по оси напряжений может характеризовать изменение зарядового состояния диэлектрика. Если предположить, что в диэлектрической пленке накапливаются положительный заряд плотностью р, центроид которого находится на расстоянии Хр от границы раздела диэлектрик—полупроводник, и отрицательный плотностью N с положением центроида Хп, то сдвиг ВАХ МДП-структуры будет описываться следующим выражением:
...
термополевых, радиационных, ионноплазменных или инжекционных воздействий определять положение центроида заряда в диэлектрике, а следовательно, и плотность заряда.
...
При осуществлении сильнополевой туннельной инжекции происходит заполнение электронных и дырочных ловушек, локализованных в диэлектрической пленке. По изменению напряжения на МДП-структуре в процессе инжекции или прерывая процесс инжекции, используя методы вольт-фарадных характеристик или ВАХ-фотоинжекции, определяют заряд диэлектрика и получают зависимость заряда, захваченного на ловушки в диэлектрической пленке Qox,
...
Во многих случаях для описания процессов заполнения ловушечных центров используют простую модель, основанную на следующем уравнении:
...
автоматизированных систем контроля качества производства. Применение данного метода позволяет обеспечить экспрессность контроля, причем обработка экспериментальных данных не требует применения сложного математического аппарата. Достоинством измерения напряжения пробоя как метода контроля дефектности подзатворного диэлектрика является и то, что в этом случае получают количественную характеристику качества процесса получения диэлектрика МДП-БИС. Кроме того, результаты измерения Кпр позволяют не только производить разбраковку структур, но и прогнозировать их надежность, что особенно важно при изготовлении схем специального назначения.
...
Одним из наилучших способов фиксирования напряжения пробоя, с точки зрения неразрушаемости, является определение напряжения пробоя при достижении током, идущим через структуру, определенной величины, также имеется возможность точно определять энергетическую нагрузку структуры. Измерение напряжения пробоя при этом производится для МДП-структур, содержащих грубые дефекты, оказывающие существенное влияние на ВАХ, на стадии развития пробоя, а для МДП-структур, не содержащих грубых дефектов, на участке ВАХ, соответствующем сильнополевой туннельной инжекции. Кроме того, данный способ позволяет менять уровень воздействия на структуру и может использоваться для создания определенных токовых перегрузок. Напряжение, измеренное таким способом, не является, строго говоря, напряжением пробоя структуры, поэтому оно в дальнейшем будет называться напряжением микропробоя. Этот термин применяется в отраслевых стандартах, русскоязычной патентной и научно-технической литературе. В англоязычной научно-технической литературе данный параметр называется «leakage voltage», что в переводе означает «напряжение, соответствующее заданному току утечки». При реализации других способов фиксирования напряжения пробоя энергия, выделяющаяся в тонкопленочном диэлектрике, определяется в основном свойствами исследуемых структур и в меньшей степени зависит от параметров измерительного устройства, что затрудняет обеспечение режимов неразрушающего контроля напряжения пробоя.
...
Наряду с дефектностью изоляции, которая оценивается распределениями структур по напряжению пробоя или микропробоя, в последнее десятилетие для оценки качества МДП-структур и технологических процессов их получения стали использовать такую характеристику, как зарядовая дефектность. Она оценивается по распределениям МДП-струк-тур
...
позволяет определить наличие в МДП-структурах локальных областей с аномально низкой зарядовой стабильностью, которые делают их потенциально ненадежными.
...
Метод контроля дефектности зарядовой стабильности по заряду, инжектированному в диэлектрик до пробоя, позволяет выявлять МДП-структуры с локальными неоднородностями, обусловленными повышенной зарядовой нестабильностью. Данные дефекты могут определяться как локальным повышением плотности тока в области дефекта, так и аномальными характеристиками накопления зарядов в диэлектрике: сечениями захвата носителей; концентрацией электронных и дырочных ловушек. Однако этот метод контроля заряда не позволяет оценивать характеристики структур, имеющих дефекты изоляции, оказывающие существенное влияние на ВАХ МДП-структур. Такие структуры будут иметь минимально фиксируемый заряд, инжектированный до пробоя, независимо от параметров дефектов изоляции.
...
Различная направленность методов контроля диэлектрических слоев приводила к тому, что значительная доля структур с дефектами, ухудшающими изолирующие свойства, и с локальной повышенной нестабильностью зарядов диэлектрика выпадала из рассмотрения. Было затруднено сопоставление, а следовательно, и интерпретация результатов контроля, полученных различными методами. Причем в большинстве случаев параметры дефектности изоляции и зарядовой стабильности не могли быть определены на одной и той же структуре.
...
Данные трудности могут быть сняты, если исследовать явления дефектности изоляции и зарядовой стабильности с использованием одного метода, позволяющего оценивать как характеристики дефектов, ухудшающие изолирующие свойства, так и процессы зарядовой нестабильности и комплексно характеризовать МДП-структуру.
...
В качестве такого метода применяется сильнополевая туннельная ин-жекция заряда в диэлектрик, проводимая в режиме постоянного тока. В отличие от лавинной, режимы туннельной инжекции не зависят от характеристик области пространственного заряда полупроводника и определяются только параметрами границ раздела и самого диэлектрика. Использование туннельной инжекции позволяет точно дозировать ин-жекционную нагрузку структур и не требует создания специальных структур с инжекторами, т.е. она может проводиться в процессе формирования подзатворного диэлектрика до проведения металлизации.
...
Для реализации единого подхода к контролю дефектности изоляции и дефектности зарядовой стабильности был разработан метод управляемой
...
токовой нагрузки, основанный на анализе временной зависимости напряжения на МДП-структуре при подаче на нее токовой нагрузки [39]. Данный метод основан на распространении возможностей метода контроля дефектности диэлектрических слоев по измерениям напряжения микропробоя на участок сильнополевой туннельной инжекции ВАХ, реализации измерения напряжения микропробоя в рамках метода инжекции заряда в диэлектрик импульсом постоянного тока и расширения информативности данного метода в области низких и высоких полей.
...
Емкость МДП-структуры будет обратно пропорциональна производной временной зависимости напряжения на структуре от времени. При заряде МДП-структуры импульсом постоянного тока /0 временная зависимость поверхностного потенциала cp^t) будет описываться выражением:
...
Использование (2.2) позволяет получить зависимость поверхностного потенциала от напряжения на структуре без применения интегрирования, необходимого для метода низкочастотных ВФХ. Из зависимости напряжения на структуре от времени может быть также определена дифференциальная плотность поверхностных состояний.
...
МДП-структуры позволил значительно расширить возможности метода постоянного тока. Из зависимости напряжения на структуре от времени определяются временные зависимости заряда, инжектированного в диэлектрик, и туннельного тока на всех этапах инжекции от стадии заряда емкости МДП-структуры до пробоя образца. Из временных зависимостей тока инжекции и напряжения на образце может быть получена ВАХ на участке туннельной инжекции, из которой при построении ее в координатах Фаулера—Нордгейма можно определить высоту потенциального барьера на инжектирующей границе раздела и толщину диэлектрика. Минимальный уровень тока полученной ВАХ ограничен точностью измерений, а максимальный — значением /0. Из временных зависимостей напряжения на МДП-структуре на стадии инжекции, когда весь ток, пропускаемый через образец, является током инжекции, определяют сечения захвата зарядовых ловушек, изменение эффективного заряда диэлектрика, заряд, инжектированный до пробоя. В области высоких полей определяется также напряжение микропробоя.
...
Далее осуществляется инжекция в диэлектрик требуемой величины заряда, а изменение напряжения на МДП-структуре (см. рис. 2.8, участок 4)
...
На следующем участке полярность токовой нагрузки изменяют на противоположную и начинается перезарядка МДП-структуры (см. рис. 2.8, участок 6).
...
те же параметры МДП-структуры, что и при заряде емкости. Это дает возможность оценить изменение характеристик МДП-структур под действием туннельной инжекции в одном измерительном цикле.
...
Такой способ получения ВФХ и ВАХ характеристик, в рамках одного метода, позволил контролировать параметры зарядовой деградации сразу после туннельной инжекции, снизив влияние релаксационных процессов. Последующая реализация предложенного алгоритма при противоположной полярности токовых воздействий позволяет определить плотность, сечение захвата зарядовых ловушек и положение центроида заряда в диэлектрике.
...
При применении метода сильнополевой туннельной инжекции в режиме постоянного тока подзатворный диэлектрик характеризуется совмещенными гистограммами распределения структур по напряжению микропробоя Умп и по заряду, инжектированному в диэлектрик QfV
...
Гистограммы распределения структур по заряду, инжектированному до пробоя, построены для МДП-структур из главного пика гистограммы распределения по напряжению микропробоя. Построение таких совмещенных гистограмм наглядно показывает как характеристики дефектности изоляции диэлектрика МДП-структур, так и характеристики дефектности зарядовой стабильности и комплексно характеризуют качество подзатворного диэлектрика.
...
Туннельная инжекция заряда в диэлектрик может осуществляться как в режиме постоянного тока, так и в режиме постоянного напряжения. В первом случае в процессе инжекции постоянным остается катодное электрическое поле, а во втором -анодное. Поскольку на процессы накопления зарядов диэлектрика существенное влияние оказывают локальные электрические поля и их изменение в ходе инжекции, то в общем случае изменение зарядового состояния диэлектрика должно зависеть от режима инжекции носителей. В МДП-структурах с Si02 в сильных электрических Рис'
...
заряда при постоянном напряжении требуется меньшее время, по сравнению с режимом постоянного тока. Режим инжекции заряда постоянным напряжением для МДП-структур с Si02 является более жестким поскольку он приводит к большей зарядовой деградации диэлектрика и увеличивает вероятность пробоя структуры.
...
При сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик МДП-структур, содержащий электронные ловушки, например Si02-<t>CC (фосфорно-силикатное стекло), в режиме постоянного напряжения наблюдается меньшая полевая зависимость напряжений сдвига ВАХ, чем в режиме постоянного тока. Следовательно, режим постоянного тока для таких структур является более жестким по сравнению с режимом постоянного напряжения, в то же время использование этого режима позволяет в несколько раз уменьшить время проведения инжекционных исследований. Однако особенности режимов инжекции заряда в диэлектрик в настоящее время не всегда учитываются при проведении инжекционных исследований и интерпретации полученных результатов.
...
Из проведенного анализа сильнополевой туннельной инжекции в МДП-структурах следует, что из ВАХ и временных зависимостей напряжения на структурах могут быть определены: высота потенциального барьера на инжектирующей границе раздела; толщина диэлектрика; положение центроида заряда диэлектрика; плотность захваченного заряда; сечения захвата электронных или дырочных ловушек. Важной отличительной чертой сильнополевой туннельной инжекции заряда в диэлектрик является то, что она позволяет оценивать как изолирующие характеристики диэлектрических слоев, так и зарядовые. Это дает возможность при использовании сильнополевой туннельной инжекции в исследованиях и контроле инжекционностойких диэлектрических пленок в МДП-системах осуществить единый подход к изучению дефектности изоляции и дефектности зарядовой стабильности.
...
Сильные электрические поля, туннельная инжекция носителей оказывают существенное влияние на зарядовое состояние МДП-структур. Повышение интереса к исследованию процессов зарядовой нестабильности МДП-структур в условиях инжекции носителей в настоящее время связано с тем, что с повышением степени интеграции МДП-БИС происходит уменьшение длины каналов и толщины подзат-
...
ворного диэлектрика интегральных МДП-транзисторов. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-структурах, связанных с влиянием сильных электрических полей.
...
Сильнополевая инжекция заряда в подзатворный диэлектрик МДП-структур сопровождается их постепенной деградацией, заканчивающейся пробоем диэлектрика. Инжекционная деградация является одной из основных причин отказов полупроводниковых приборов с МДП-струк-турой, работающих в критических режимах - при повышенных напряжениях, в условиях лавинной или туннельной инжекции, ионизирующего облучения, импульсного магнитного поля и т. д. Все это обусловливает повышенное внимание, уделяемое в последнее время изучению процессов инжекционной деградации в МДП-системах.
...
При деградации МДП-систем с термической Si02 в качестве диэлектрика при сильнополевой инжекции заряда наблюдается, как правило, захват заряда в оксиде, возрастание концентрации поверхностных состояний, изменение генерационно-рекомбинационных характеристик поверхности кремния и т. д. В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований установлено, что при протекании тока туннельной инжекции наблюдаются следующие основные процессы: происходит захват электронов на уже существующие и вновь создаваемые ловушки; наблюдается накопление положительного заряда; возрастает плотность поверхностных состояний.
...
Главным механизмом, определяющим зарядовую деградацию пленки Si02 при сильнополевой туннельной инжекции, является накопление в ней положительного заряда. Изучению данного заряда посвящено большое количество работ, поскольку он не только приводит к зарядовой нестабильности диэлектрика, но и, по всей видимости, является ответственным за пробой диэлектрической пленки. Однако до настоящего времени механизм генерации положительного заряда не нашел своего окончательного объяснения. Это связано, с одной стороны, с отсутствием надежных и исчерпывающих экспериментальных данных, что выражается в противоречиях между публикуемыми результатами. Считается, что положительный заряд локализован у границы раздела, в то время как другие авторы предполагают, что положительный заряд накапливается в объеме Si02. С другой стороны, факторами, усложняющими анализ экспериментальных данных, являются захват электронов на ловушки, протекающий одновременно с генерацией положительного заряда, и увеличение плотности поверхностных состояний. В результате, параметры и характеристики положительных зарядов, наблюдавшихся в различ-
...
ных работах, имеют принципиальные отличия, что может быть также связано с отличиями экспериментальных образцов и технологий их получения. В ряде работ образующийся при протекании инжекционных токов положительный заряд идентифицировался как «аномальный» положительный заряд. Он локализован у границы раздела Si—Si02. Этот заряд не уничтожается электронами, захватываемыми в оксиде, и может разряжаться или заряжаться почти реверсивно с большой постоянной времени, при приложении положительного или отрицательного смещения, соответственно. Поэтому данному «аномальному» компоненту положительного заряда часто дается название — медленные состояния.
...
Существует несколько теоретических моделей, объясняющих образование положительного заряда. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации. Предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мере своего движения могут достичь энергии, равной или бульшей энергии запрещенной зоны двуокиси кремния, после чего они способны вызвать межзонную ударную ионизацию, в результате которой образуется электронно-дырочная пара с низкоэнергетическим электроном. Образовавшиеся таким образом дырки под действием приложенного электрического поля движутся к катоду и образуют в прикатодной области положительный заряд. Однако образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях < 6 МВ/см и недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда.
...
В работах М.Фишетти была предложена модель, в которой предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны вызывают возбуждение электронно-дырочной подсистемы Si02, в результате чего в ней могут происходить структурные изменения, приводящие к появлению положительного заряда. Для объяснения генерации положительного заряда наряду с механизмом межзонной ударной ионизации привлекался механизм ловушечно-зонной ударной ионизации, требующий для своей реализации наличия электронов с энергией, большей или равной глубине ловушки.
...
Накопление положительного заряда связывают также с инжекцией в диэлектрик МДП-систем дырок и последующим их захватом на ловушки в Si02. Причем инжекция дырок может происходить за счет возбуждения дырочной подсистемы под действием облучения светом и снижения высоты потенциального барьера для туннелирования дырок из кон-
...
тактов. Появление дырок в двуокиси кремния в сильных электрических полях связывается также с их генерацией в результате взаимодействия инжектированных электронов с анодной границей раздела.
...
Важную роль как в процессе роста термической двуокиси кремния, так и в процессе зарядовой деградации МДП-систем в условиях сильнополевой туннельной инжекции играет водород. В процессе формирования оксида водород устраняет дефектные состояния в объеме Si02 и на границах раздела, насыщая оборванные связи кремния или кислорода. Инжектированные и разогретые в двуокиси кремния электроны могут вызывать перераспределение водорода, вследствие выбивания его со связей и миграции к границе диэлектрик—полупроводник. При этом могут образовываться дефекты в объеме Si02 и на границе Si—Si02. Г. Гэдияном предложена теоретическая модель для описания поведения водорода при инжекции электронов из контактов в тонких пленках Si02 в сильных полях, учитывающая создание ловушек за счет выбивания горячими электронами водорода с оборванных связей SiO и Si и захват на них электронов и дырок. Показано, что при напряженности электрического поля 4 МВ/см интенсивный рост плотности захваченного заряда в диэлектрике наблюдался при инжекции заряда > 5 • 1(Г3 Кл/см2.
...
В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований деградационных явлений в двуокиси кремния [40, 41] получены новые данные о распределении горячих электронов в Si02 по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в двуокиси кремния. На рис. 2.10 показано распределение электронов, инжектированных в двуокись кремния, по энергии. Как видно из рисунка, в распределениях наблюдаются высокоэнергетические хвосты, способные вызвать межзонную ударную ионизацию в двуокиси кремния. На основе этих данных в [40] предложена теория сильнополевого переноса электронов и ударной ионизации в двуокиси кремния. Согласно этой теории, за сильнополевую деградацию пленок Si02 ответственны два основных механизма. Первый механизм заключается в создании в оксиде ловушек и появляется, когда электрон с энергией больше чем 2 эВ (относительно дна зоны проводимости оксида) освобождает водород из состояний дефектов около анодной границы раздела [41]. Затем этот водород может перемещаться к границе катод-оксид и генерировать поверхностные состояния. Данный механизм становится заметным после инжекции заряда > 10~3 Кл/см2.
...
Второй механизм заключается в том, что при туннельной инжекции электронов по Фаулеру-Нордгейму в полях больше 6,5 МВ/см при тол-
...
щине оксида больше 30 нм на энергетическом распределении горячих электронов появляются высокоэнергетические хвосты, способные генерировать дырки межзонной ударной ионизацией [40]. Под действием электрического поля эти дырки движутся к катоду, приводя к образованию объемного положительного заряда и генерации поверхностных состояний. Заполненные центры захвата дырок в свою очередь могут захватывать инжектированные электроны.
...
Одновременно с накоплением в пленке Si02 положительного заряда начинает возрастать плотность поверхностных состояний. Многочисленные исследования данного явления показали, что увеличение плотности поверхностных состояний и генерация положительного заряда тесно взаимосвязаны. В работах М.Фишетти также предполагается, что ответственным за оба процесса зарядовой деградации являются одни и те же структурные нарушения в пленке двуокиси кремния у границы Si—Si02, что происходит, в основном, под влиянием электронных процессов, которые стимулируются действием электрического поля, вызывающего инжекцию заряда в диэлектрик.
...
Заключительной стадией зарядовой деградации МДП-систем при высокополевой инжекции заряда является пробой подзатворного диэлектрика. В результате многочисленных исследований было установлено, что определяющей причиной, приводящей к пробою диэлектрической пленки, является накопление в Si02 положительного заряда. На базе данного
...
факта развиты несколько теоретических моделей, позволяющих детально описать пробой Si02. Так, в модели, предложенной К.Ченом и К. By, оксид делится на два типа площадей. Первый тип — «слабая» площадь, где в конце концов и происходит пробой, и вторая площадь — «крепкая», которая согласно предлагаемой модели составляет основную часть оксида. В то время как генерация ловушек и захват электронов происходит в обоих типах площади, захват положительного заряда наблюдается только в слабых площадях. Положительный заряд образуется в результате генерации дырок межзонной ударной ионизацией
...
и их дрейфа к катоду. Этот захваченный положительный заряд вызывает локальное увеличение электрического поля, которое увеличивает плотность инжектируемого заряда, что создает дополнительный положительный заряд. В результате возникает положительная обратная связь, которая и приводит к пробою. Более общая теоретическая модель, предложенная К. Ченом и К. By, отличалась тем, что, помимо межзонной ударной ионизации, учитывала процесс ловушечно-зонной ударной ионизации при генерации дырок, а также предполагала, что образующийся положительный заряд состоит не только из дырок, но и из подвижных положительных ионов.
...
Е.Авни и Д. Шаппиром предложена другая модель пробоя, предполагающая, что при достижении пороговой плотности генерированных нейтральных ловушек у анода происходит «усталостный» электрический пробой через новые каналы проводимости. Модели пробоя термических пленок Si02 на кремнии в настоящее время находятся в стадии экспериментальной проверки, постоянно корректируются и дополняются.
...
Захват электронов на ловушки в двуокиси кремния слабо зависит от напряженности электрического поля и определяется зарядом, инжектированным в диэлектрик. В течение всего процесса инжекции в термических пленках Si02 наблюдается захват электронов на ловушки. При инжекции в диэлектрик заряда до Ю-3 Кл/см2 в основном превалирует захват на существующие в оксиде ловушки. При продолжении процесса инжекции больше 10"3 Кл/см2 электронный захват начинает определяться вновь образующимися ловушками.
...
Генерация электронных ловушек, наряду с генерацией положительного заряда, является ключевым фактором, определяющим деградацию и пробой оксида. Физика образования электронных ловушек еще до конца не выяснена. Главной трудностью при изучении процесса образования электронных ловушек является неспособность большинства применяемых методов исследования отдельно контролировать инжекцию электронов и дырок в оксид.
...
Можно выделить три основные модели образования электронных ловушек [36]: модель генерации дырок из анода, электрохимическую модель и модель высвобождения водорода.
...
Согласно первой модели электроны, инжектированные в оксид сильным электрическим полем или с помощью фотоинжекции, ускоряются полем в оксиде и взаимодействуют с анодом. При этом взаимодействии выделяется энергия, достаточная для генерации дырок из анода. Дырки, двигаясь в оксиде к катоду, вызывают появление нейтральных элек-
...
В электрохимической модели само электрическое поле непосредственно вызывает появление электронных ловушек, и процессы, обусловленные выделением энергии на аноде, не связаны с генерацией ловушек. Механизм образования электронных ловушек в данной модели основан на взаимодействии диполей в оксиде с электрическим полем.
...
Модель высвобождения водорода, которая уже частично рассматривалась выше, основана на том, что инжектированные посредством тун-нелирования в оксид электроны достигают анода с энергией, достаточной для высвобождения водорода у анодной границы. Диффундируя сквозь оксид, освободившийся водород создает электронные ловушки. Преимущество этой модели в том, что электронные ловушки, аналогичные образующимся при стрессовом туннельном токе, появляются и при обработке структур водородной плазмой. Вместе с тем и эта модель не может объяснить некоторые экспериментальные результаты.
...
Для МДП-систем с двухслойным диэлектриком Si02—ФСС (фосфор-но-силикатное стекло) зарядовая деградация при инжекционных нагрузках имеет ряд принципиальных отличий. При сильнополевой инжекции заряда в полях 7...8 МВ/см наблюдается накопление отрицательного заряда, которое связывается с захватом инжектированных электронов на границе Si02—ФСС или в самой пленке ФСС. Известно, что как при пассивации двуокиси кремния ФСС, так и при ионной имплантации создаются электронные ловушки, но природа их до конца не определена. В одних работах предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны захватываются положительно заряженными группами, образуемыми атомами фосфора при вплавлении Р205 в тетраэдрическую решетку двуокиси кремния. Число положительно заряженных групп может составлять около 1 % от числа атомов кремния в Si02. В других работах отмечается, что воздействие полярных молекул РС13 и РОС13 в процессе получения пленки ФСС на решетку Si02 может привести к разрыву химических связей между тетраэдрами и, как следствие, появлению электронных ловушек, локализованных на границе раздела Si02— ФСС. Появление электронных ловушек в слоях двуокиси кремния, в которые фосфор вводился ионной имплантацией, связывалось также с образованием связей Р—Si.
...
При увеличении электрических полей > 9 МВ/см в двухслойном диэлектрике Si02—ФСС происходит смена механизма образования отрицательного заряда на генерацию положительного. Данное явление не на-
...
шло однозначного объяснения. В одних работах оно объяснялось усиливающейся ролью ударной ионизации дырок в Si02 при увеличении поля в других — взаимодействием горячих электронов с энергетическими уровнями дефектов в запрещенной зоне Si02, образованием положительно заряженных Ех-центров, перемещающихся в направлении границы раздела Si—Si02 .
...
В МДП-системах с большей толщиной ФСС наблюдается при одном и том же заряде, инжектированном в диэлектрик, меньшее возрастание плотности поверхностных состояний на границе Si—Si02. Этот эффект связывался с влиянием пассивации двуокиси кремния на межфазовую границу раздела Si—Si02. Однако механизм такого влияния предложен не был.
...
В [42] приведены результаты исследования влияния толщины пленки ФСС на накопление отрицательного заряда для толщины 1...16 нм. Показано, что с ростом толщины происходит увеличение плотности отрицательного заряда, накопленного при туннельной инжекции. Однако зависимости процессов зарядовой нестабильности системы Si—Si02—ФСС от толщины слоя ФСС еще до конца не исследованы.
...
Накопление отрицательного заряда в МДП-структурах с двухслойным диэлектриком Si02—ФСС вносит существенные коррективы в модели пробоя, развитые для термических пленок Si02. Во-первых, необходимо учитывать перераспределение электрических полей внутри диэлектрика. Во-вторых, наличие пленки ФСС может существенно изменить кинетику накопления положительного заряда в пленке Si02.
...
Таким образом, неоднозначность приводимых в литературе экспериментальных данных, характеризующих зарядовую деградацию МДП-си-стем на основе двуокиси кремния при инжекционных нагрузках, затрудняет их анализ и создание общей теоретической модели, описывающей эти процессы. Исследования в данной области находятся лишь в стадии накопления экспериментальных данных и разработки модельных представлений. Несмотря на обилие работ, посвященных экспериментальным исследованиям зарядовой нестабильности и определению механизмов накопления зарядов в системе Si-Si02, и на широкое использование данных систем в микроэлектронике в качестве подзатворных диэлектриков, до настоящего времени отсутствует физико-математическая модель зарядового состояния системы Si—Si02, учитывающая в полной мере основные механизмы захвата носителей в двуокиси кремния, положения центроидов зарядов, напряженности локальных электрических полей, миграцию атомов и ионов водорода и т.д.
...
В последние годы были разработаны несколько физико-математических моделей зарядовой деградации МДП-структур в условиях туннельной инжекции. Эти модели описывают процессы накопления заряда в диэлектрике на основе механизмов захвата носителей, учитывающих новые данные о распределении электронов по энергии в диэлектрических пленках в сильных электрических полях, и позволяют проводить сравнение зарядовой стабильности МДП-структур с различной толщиной двуокиси кремния (в том числе и многослойных), учитывать влияние изменений характеристик центров захвата, локальных электрических полей. Применение таких моделей позволяет оптимизировать параметры МДП-систем применительно к конкретным структурам МДП-ИС и БИС в рамках действующих типовых технологических процессов, а также совершенствовать технологии получения диэлектрических слоев с целью повышения устойчивости схем к токополевым, электронным и ионизационным воздействиям.
...
Важным вопросом при моделировании процессов зарядовой деградации в МДП-системах на основе двуокиси кремния является определение механизма накопления положительного заряда в Si02, в качестве которого используются: ударная межзонная ионизация в Si02 с образованием электронно-дырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; инжекция дырок из анода; ударная ионизация ослабленных связей Si—О и Si—Si; дрейф атомов и ионов водорода и др. Как показали проведенные исследования зарядовой нестабильности МДП-структур, в условиях сильнополевой туннельной инжекции носителей при электрических полях, больших 6,5 МВ/см, необратимая деградация границы раздела, рост плотности поверхностных состояний, заряда в диэлектрике и потеря работоспособности МДП-приборов происходят при плотности инжектированного заряда 5-
...
В качестве примера рассмотрим более подробно модель зарядовой деградации МДП-структур с толщиной двуокиси кремния 10... 100 нм на начальном этапе инжекции заряда в диэлектрик, разработанную для многослойных структур и анализа процессов зарядовой деградации в локальных областях зарядовых дефектов, с аномальными характеристиками зарядовой нестабильности [43] .
...
В модели зарядовой деградации МДП-структуры с Si02 учитывались следующие механизмы изменения зарядового состояния диэлектрика: межзонная ударная ионизация в Si02 с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в оксиде, а также захват инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками; захват электронов на первичные электронные ловушки в Si02. Общее изменение напряжения на МДП-системе с Si02, обусловленное зарядовой деградацией при постоянном токе инжекции, равно:
...
где Хр — положение центроида положительного заряда, измеренное от границы Si—Si02; р — плотность захваченных дырок.
...
Плотность захваченных дырок находится путем численного решения методом Рунге—Кутта дифференциального уравнения четвертого порядка:
...
где Np — плотность нейтральных, существующих в исходном состоянии, дырочных ловушек; — сечение захвата дырок; оп — сечение захвата электронов заполненными дырочными ловушками; (т
...
Поскольку, согласно экспериментальным данным, за накопление отрицательного заряда в пленке ФСС ответственны электронные ловушки двух типов с различными сечениями захвата, то изменение напряжения на МДП-структуре в результате захвата электронов в пленке ФСС определяется как:
...
Электроны туннелируют сквозь потенциальный барьер и под действием электрического поля перемещаются к аноду, при этом часть высокоэнергетических электронов участвует в межзонной ударной ионизации, генерируя дырки, образующие положительный заряд. Часть инжектированных электронов захватывается на электронные ловушки в Si02 и ФСС. Положительный заряд локализуется вблизи границы раздела Si— Si02 на расстоянии = 5 нм. Предполагая, что первичные ловушки расположены равномерно в объеме диэлектрика, считаем, что центроид заряда, обусловленного захватом электронов на эти ловушки Хп располагается в середине слоя диэлектрика. Заряд электронов, захваченных ловушками в ФСС, локализуется на расстоянии X от границы раздела полупроводник—диэлектрик.
...
В результате зарядовой деградации электрическое поле в объеме диэлектрика становится неоднородным. Накопление отрицательного заряда захваченных электронов в пленке ФСС достаточно большой плотности -К)-6 Кл/см2 вызывает резкое возрастание анодного электрического поля в пленке ФСС. Так как процесс межзонной ударной ионизации имеет полевую зависимость, то присутствие сильного электрического поля в ФСС требует отдельного рассмотрения вопроса о генерации дырок в слое ФСС. Для выяснения данного вопроса и проверки рассматриваемой модели на соответствие результатам эксперимента было проведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей напряжения сдвига вольт-амперных характеристик АУ{ систем Si-Si02-Al и S'~Si02—ФСС—А1, изготовленных в одном технологическом цикле.
...
На рис. 2.11 приведены экспериментальные (изображенные значками) и расчетные (сплошные линии) зависимости напряжения на МДП-структурах Si-Si02-<PCC-Al (кривые 1, 2, 3, 7, 8, 9)
...
Если параметры межзонной ударной ионизации в ФСС принимались равными параметрам в Si02, то расчетные кривые (7, 8, 9)
...
ческие хвосты с энергией большей ширины запрещенной зоны Si02 [43]. Для совпадения результатов расчета с экспериментальными данными пороговое поле ударной ионизации в ФСС должно быть > 9,8 МВ/см (см. рис. 2.11, кривые 1, 2, 3).
...
тверждают, что при сильнополевой инжекции электронов из кремния импульсами постоянного тока полевая зависимость кинетики изменения напряже-
...
На основе рассмотренных моделей зарядовой нестабильности МДП-структур были разработаны модели, позволяющие исследовать процессы зарядовой нестабильности в локальных областях, в том числе и субмикронных размеров, обладающих аномальными характеристиками.
...
Анализ результатов работ, связанных с инжекцией носителей в сильных электрических полях по Фаулеру-Нордгейму, и исследование аналитических моделей зарядового состояния МДП-структур [43] показали, что инжекция носителей может применяться не только как метод ускоренных испытаний, но и как процесс, позволяющий целенаправленно изменять электрофизические параметры МДП-структур, т. е. осуществлять модификацию их свойств.
...
Модификация параметров двуокиси кремния с использованием различных методов является одним из основных направлений совершенствования характеристик диэлектрических слоев. Используя воздействия различного вида, такие как ионноплазменные, радиационные, магнито-импульсные, сильнополевые, лазерные, рентгеновские, ультрафиолетовые и др., можно целенаправленно изменять свойства диэлектрических слоев, улучшая те или иные параметры.
...
Специальные виды воздействий применяются не только для направленного изменения электрофизических свойств МДП-структур, но и для выявления дефектов диэлектрика и границы раздела диэлектрик—полупроводник, в том числе и зарядовых. Установлено, что воздействие импульсным магнитным полем (амплитуда 0,1...0,2 МА/м, длительность импульса 30 мкс) в течение 20 с позволяет существенно, почти в три раза повысить плотность зарядовых дефектов, выявляемую с помощью гистограмм зарядовой стабильности. Кроме того, воздействие импульсным магнитным полем вызывает у МДП-структур появление достаточно больших флуктуации плотности заряда в диэлектрике. Эти флуктуации наиболее значительны в области микродефектов, характеризующихся повышенной концентрацией напряженных Si-Si и Si—О связей у границы раздела Si—Si02.
...
Для отбраковки потенциально ненадежных МДП-структур применяется также радиационно-термическая обработка, заключающаяся в воздействии на образцы гамма-квантов Со60 дозой в несколько десятков крад и с последующей термообработкой при температурах 150...200°С.
...
лучение гамма—квантами активизирует процессы зарядовой нестабильности в областях дефектов и повышает количество выявляемых дефек-
...
Наряду с выявлением потенциально ненадежных МДП-структур ра_ диационные и ультрафиолетовые излучения могут использоваться для корректировки пороговых напряжений МДП-транзисторов. Рентгеновское излучение с энергией 10...20 кэВ может применяться для изменения термостабильного заряда в слоях двуокиси кремния с пятивалентной примесью. Для МДП-структур с поликремниевыми затворами, легированными фосфором, неотжигаемая часть изменения порогового напряжения составляет 30...70 % от общего изменения порогового напряжения при облучении. Корректировка пороговых напряжений может производиться и с использованием комбинированного воздействия рентгеновского и ультрафиолетового излучений. Воздействие ультрафиолетового излучения с энергией 4...6 эВ на МДП-структуры позволяет регулировать величину неотжигаемой части изменения порогового напряжения. Для корректировки пороговых напряжений может применяться и гамма-излучение.
...
Создание полевых приборов на основе МДП-структур, параметрами которых можно было бы управлять после их изготовления, открывает новые возможности для применения их в микроэлектронике. Одним из перспективных методов управления пороговым напряжением МДП-транзисторов является изменение зарядового состояния подзатворной системы, включающей в себя подзатворный диэлектрик с электронными ловушками, заполнение которых производится с использованием сильнополевой туннельной инжекции.
...
Инжекционная модификация может применяться как для создания полупроводниковых приборов на основе МДП-структур с изменяемыми параметрами, так и являться одним из методов создания регулярного наноразмерного рельефа встроенного заряда вдоль межфазовой границы раздела диэлектрик—полупроводник, который позволит создавать кван-товоразмерные элементы наноэлектроники — квантовые ямы, точки, проволоки, сверхрешетки [44].
...
В последние годы для корректировки и изменения зарядового состояния полевых приборов и интегральных схем на основе МДП-структур в процессе их изготовления были разработаны методы, использующие ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Основным недостатком данных методов является то, что при их применении воздействие осуществляется на все приборы, находящиеся на пластине. Это исключает возможность индивидуальной подгонки пороговых напряже-
...
Основными проблемами при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник, позволяющих управлять параметрами приборов после их изготовления, являются:
...
— создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват электронов на ловушки;
...
— определение режимов сильнополевой туннельной инжекции, позволяющих эффективно заполнять электронные ловушки при минимальном увеличении плотности положительного заряда и поверхностных состояний;
...
Для изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика МДП-структур использовалась сильнополевая туннельная инжекция электронов из кремниевого и алюминиевого электродов в режиме протекания постоянного инжекционного тока. В качестве подзатворного диэлектрика, содержащего электронные ловушки, использовался многослойный диэлектрик на основе двуокиси кремния и слоев ФСС. Применение данного вида диэлектрика, с одной стороны, позволило применить стандартный технологический процесс, а с другой стороны — использовать уже имеющиеся данные о процессах зарядовой деградации слоев в сильных электрических полях.
...
Выбор оптимальных режимов инжекции заряда и структуры многослойного диэлектрика производился на основе анализа результатов моделирования изменения зарядового состояния МДП-структур в условиях туннельной инжекции с использованием рассмотренных выше моделей.
...
Анализ изменения ВФХ при инжекции электронов из кремния (положительная полярность А1-электрода) показал, что наряду с накоплением отрицательного заряда в пленке ФСС, приводящего к сдвигу С-
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы