Исследование процессов инжекционной модификации в структурах металл-диэлектрик-полупроводник и приборах на их основе Столяров Максим Александрович

Введение к работе

Перспективным направлением современной технологии изготовления
интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых приборов является
разработка методов обработки, позволяющих целенаправленно изменять ха
рактеристики приборов на завершающей стадии их изготовления или непо
средственно готовых приборов. Применительно к полевым приборам на ос
нове структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), к таким методам
относятся высокочастотная плазменная обработка, радиационно-

термическая обработка, корректировка параметров радиационным облучением и т.д. Одним из перспективных методов управления пороговым напряжением МДП-транзисторов является изменение зарядового состояния подза-творной системы, включающей в себя многослойный подзатворный диэлектрик с электронными ловушками, заполнение которых производится с использованием сильнополевой туннельной инжекции.

В качестве подзатворного диэлектрика, содержащего электронные ловушки, предложено использовать многослойный диэлектрик на основе двуокиси кремния и слоев фосфорно-силикатного стекла (ФСС). Применение данного вида диэлектрика, с одной стороны, позволило применять на первоначальном этапе работы для их изготовления стандартный технологический процесс, а с другой стороны, использовать уже имеющиеся данные о процессах зарядовой деградации данных слоев в сильных электрических полях.

Основными проблемами при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе МДП-структур, с многослойными ин-жекционно модифицированными диэлектрическими слоями, являются: создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват электронов на ловушки; определение режимов сильнополевой туннельной инжекции, позволяющих эффективно запол-

нять электронные ловушки при минимальном увеличении плотности положительного заряда и поверхностных состояний; обеспечение требуемой тер-мополевой стабильности инжектированного заряда.

Процессы накопления в МДП-структурах в сильных электрических полях положительного заряда, ответственного за деградацию и пробой МДП-структур и полевых приборов и ИМС на их основе, изучены не достаточно. Исследования и определение механизмов генерации положительного заряда в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей являются актуальной задачей современного этапа развития МДП-технологий. Особую важность данная проблема имеет для полевых приборов и ИМС на основе инжеционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев.

Проведенный анализ результатов работ по созданию инжекционно модифицированных слоев и применении их в полевых приборах и ИМС показывает, что полученные экспериментальные и теоретические результаты указывают на перспективность промышленного производства приборов на основе инжекционно модифицированных слоев. Вместе с тем освоение производства полевых приборов на основе инжекционно модифицированных слоев заметно сдерживается отсутствием эффективных методов инжекционной модификации отвечающих требованиям массового производства ИМС и отсутствием информации о стабильности инжекционно стимулированного заряда многослойных диэлектрических слоев в условиях эксплуатации.

Цель работы

Целью работы являлось повышение эффективности инжекционной модификации МДП-структур и полупроводниковых приборов с многослойными диэлектрическими слоями на основе исследования процессов изменения электрофизических характеристик в условиях сильнополевой туннельной инжекции и температурных воздействий.

Для достижения поставленной цели возникла необходимость в решении следующих задач:

исследовать зависимости накопления положительного заряда при ин-жекционной модификации при различных температурах с применением метода двухуровневой токовой нагрузки;

разработать модель изменения зарядового состояния МДП-структур при инжекционной модификации, учитывающую генерацию положительного заряда;

исследовать зависимости изменения зарядового состояния инжекцион-но модифицированных многослойных диэлектрических слоев МДП-структур при различных температурах и разработать модель хранения и стекания инжекционно стимулированного заряда;

разработать методы повышения эффективности инжекционной модификации МДП-структур;

исследовать процессы инжекционной модификации в условиях производства ИМС на основе МДП-структур с инжекционно модифициован-ными многослойными диэлектрическими слоями.

Научная новизна

1. Впервые получены, с использованием метода двухуровневой токовой нагрузки, зависимости изменения зарядового состояния многослойных диэлектрических слоев МДП-структур Si-Si0₂-OCC-Al в условиях сильнополевой туннельной инжекции в диапазоне температур до 100 С.

2. Разработана модель инжекционной модификации МДП-структур Si-БіСЬ-ФСС-АІ, учитывающая температурную зависимость генерации положительного заряда в двуокиси кремния при сильнополевых воздействиях.

3. Разработана модель хранения и стекания инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах с многослойными диэлектрическими слоями термической пленки SiC>2 пассивированной ФСС. Определены эффективные

параметры центров захвата электронов в инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоях МДП-структур Si-Si02-OCC-Al.

4. Определены особенности влияния протонного облучения на инжекционно стимулированный отрицательный заряд в МДП-структурах Si-Si0₂-ФСС-А1.

Практическая значимость работы

1. Разработан новый способ изготовления МДП-транзисторов со структу
рой Si-Si0₂-OCC-Al, основанный на проведении инжекционной модифика
ции при повышенных температурах.

2. Разработан метод инжекционной модификации МДП-приборов и ИМС
с малой площадью затворов с использованием режима квазипостоянного то
ка.

3. Разработан метод повышения эффективности инжекционной модификации многослойных диэлектрических слоев, основанный на проведении сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик при повышенных температурах.

4. Определены распределения инжекционно модифицированных МДП-структур по напряжению середины запрещенной зоны по площади полупроводниковой пластины при проведении инжекционной модификации.

Полученные в данной работе результаты и разработанные методы повышения инжекционной модификации были использованы в производстве полупроводниковых приборов и МДП-ИМС на ОАО «ВОСХОД» КРЛЗ и ЗАО «ОКБ «МЭЛ».

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты исследования процессов инжекционной модификации МДП-структур Si-Si02-OCC-Al с учетом влияния температуры и генерации

положительного заряда, а также статистические распределения инжекционно модифицированных МДП-структур на различных стадиях модификации.

2. Модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiCb-OCC-А1, учитывающая температурную зависимость генерации положительного заряда в двуокиси кремния и последующее хранение и стекание инжекционно стимулированного отрицательного заряда при термических испытаниях и эксплуатации приборов.

3. Способ изготовления МДП-транзисторов со структурой Si-Si0₂-ФСС-А1, реализующий инжекционную модификацию параметров на основе накопления термостабильной компоненты отрицательного заряда в пленке ФСС (патент РФ № 2206142), и результаты исследования характеристик транзистора при инжекционной модификации.

4. Методы повышения эффективности инжекционной модификации МДП-приборов на основе использования режима квазипостоянного тока для приборов с малой площадью затвора и проведения инжекционной модификации при повышенных температурах.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 1-ой Российской конференции молодых учёных по физическому материаловедению (Калуга, 2001 г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г., 2002 г.), Международной научно-технической конференции "Тонкие плёнки и слоистые структуры" (Москва, 2002 г.), Региональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении"(Калуга, 2001 г., 2002 г.), International conference "Physics of electronic materials" (Kaluga, 2002 г., 2005 г.), Международном научно-методическом семинаре "Шумовые и де-

градационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2003 г., 2004 г.), Межнародных совещаниях "Радиационная физика твёрдого тела". (Севастополь, 2004 г., 2007 г.) 13th international Congress on Thin Films & 8th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces & Nanos-tructures (Стокгольм, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Калуга, 2006 г.), Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 1 патент РФ на изобретение. Результаты диссертационной работы вошли в научно-технические отчёты по хоздоговорным и госбюджетным НИР, выполненным при непосредственном участии автора.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, включая 33 рисунка. Список литературы содержит 150 наименований.

Процессы накопления зарядов в многослойных диэлектрических слоях МДП-структур при инжекционной модификации

Поскольку инжекционная модификация МДП-структур неразрывно связана с процессами изменения зарядов в многослойном диэлектрике SiC 2. ФСС, то представляется целесообразным рассмотреть современное состояние работ по изучению зарядовых явлений в подзатворных диэектриках МДП ИМС.

В современной электронной промышленности доминирующее положение занимают МДП-приборы на основе структур Зі-БіОг-металл. Однако природа зарядовой нестабильности и электронных процессов, происходящих в структурах Si-Si02-Me, не получила своего полного объяснения и находится в постоянном развитии [1,2,35-48]. В настоящее время в литературе для термических плёнок Si02 на кремнии принята следующая классификация зарядов [1,2,16,48]: фиксированный (встроенный) заряд в окисле, Qf; заряд поверхностных состояний (захваченный на границе Si-SiC поверхностными ловушками) Qit, подвижный заряд Qm, заряд, захваченный на исходные ловушки в окисле Qot, заряд, захваченный на вновь созданные ловушки в окисле Qt.

Фиксированный заряд имеет обычно положительный знак, а величина его остаётся практически постоянной во всём диапазоне рабочих напряжений [1,2]. Место локализации фиксированного заряда находится в плёнке SiC не более 2-3 нм от границы раздела Si-SiC 2 [2,46, 47]. Величина Qf существенно зависит от технологии окисления и ориентации подложки и слабо зависит от толщины окисла, типа проводимости и концентрации легирующей примеси в подложке.

Заряд поверхностных состояний локализован на границе раздела Si-SiC 2 и способен быстро обмениваться зарядом с объёмом кремния. Энергетически поверхностные состояния расположены в глубине запрещённой зоны кремния. Состояния в верхней части запрещённой зоны обычно называют акцепторными, в нижней - донорными [2, 35]. Выделяют три типа поверхностных состояний [2]: первый, является следствием самого процесса окисления и обусловленный, по-видимому, структурными дефектами границы Si-Si02 второй возникает при различных ионизирующих облучениях и инжек-ции заряда в сильных электрических полях [2,35]; третий определяется присутствием на границе Si-SiC 2 металлических примесей [1,47].

Подвижный заряд связывается с присутствием в плёнке SiC 2 положительно заряженных ионов щелочных металлов Li+, Na+ и К+ [2,35,48], а также с ионами водорода Н [2,47], распределёнными по объёму окисла. Заряд Qm может перемещаться в слое окисла при воздействии на МДП-структуру стрессовых термополевых нагрузок [2,35].

Заряды, захваченные на исходные и вновь созданные ловушки в окисле, возникают, как правило, при стрессовых воздействиях, и их исследование представляет наибольший интерес, как для оценки надёжности МДП-приборов при критических режимах работы, так и с точки зрения управления изменением зарядового состояния образца. Заряд Qot может быть создан ионизирующим облучением [2,36], с помощью внутренней фотоэмиссии [2, 36], путём туннелирования носителей заряда из контактов [38-42], их лавинной инжекцией [2, 42] и т.д. Захваченный заряд может состоять как из заряда захваченных электронов, так и из заряда захваченных дырок. Вновь созданные ловушки возникают в объеме подзатворного диэлектрика, как правило при инжекции заряда более 1 мКл/см [29,30].

Если исследованию термических плёнок БіОг на кремнии посвящено большое количество работ [1-12], то значительно слабее изучен вопрос, связанный с изменением электрофизических свойств SiC 2 после легирования её фосфором и образованием двухслойного диэлектрика SiC - ФСС. Пасси-" вация термической плёнки SiC 2 слоем фосфорно-силикатного стекла применяется во многих серийно выпускаемых микросхемах с целью стабили- зации их электрических характеристик [49,50]. Образование плёнок ФСС наблюдается также в структурах Si-Si02 - поликристаллический кремний, легированный фосфором [51,52], являющихся основой современных БИС.

Главным достоинством двухслойного диэлектрика S Юг-ФСС является способность плёнок ФСС служить геттером ионов щелочных металлов и барьером против дрейфа этих ионов [49] , в результате удаётся минимизировать величину подвижного заряда и, тем самым, повысить стабильность рабочих характеристик приборов, особенно при термополевых воздействиях. Однако способность плёнок ФСС поляризоваться [49] может также привести к зарядовой нестабильности диэлектрической плёнки. В результате для получения слабополяризуемого окисла приходится использовать плёнки ФСС с низкой концентрацией фосфора, причём для достижения более стабильных результатов после получения плёнки ФСС проводят высокотемпературный отжиг структуры [49,53].

Установка для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки

Для исследования релаксации зарядового состояния МДП-структуры в неинжекционном режиме при выдержке образца под напряжением V0 или в условиях короткого замыкания электродов используется следующая методика измерения (рис. 2.3, кривая 2). Как и в предыдущем случае, после генерации требуемой величины положительного заряда амплитуду импульса тока ступенчато уменьшают до значений Im и измеряют напряжение Vim , после чего прекращается пропускание тока через образец, структура переводится в режим постоянного напряжения и выдерживается при напряжении Va или закорачивается. После выдержки МДП-структуры в течение заданного времени к ней вновь прикладывался импульс постоянного тока Im, обеспечивающий кратковременный выход структуры на режим инжекции заряда, необходимый для измерения значения Vim. В результате получаем временную зависимость Vim, характеризующую релаксацию положительного заряда для МДП-структуры, выдерживаемой под напряжением Va или в условиях короткого замыкания.

Использование рассмотренной методики позволяет проводить исследование релаксационных процессов в МДП-структурах в сильных электрических полях, обеспечивающих инжекцию электронов из кремния, что затруднительно при использовании постоянного напряжения, при котором сильно возрастает вероятность пробоя образца. Другой важной особенностью предложенного метода является более высокая достоверность измерений, поскольку отсутствует перекоммутация образца при контроле электрофизических параметров, характеризующих релаксацию зарядового состояния МДП-структуры.

Решение данных вопросов имеет важное научное и практическое значение для исследования процессов инжекционной модификации и развития технологии производства полевых приборов и интегральных схем на основе инжекционно модифицированных МДП-структур.

Для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки была разработана автоматизированная установка, структурная схема которой показана на рис. 2.4. С помощью ЭВМ 1 задается алгоритм токового воздействия, прикладываемого к МДП-структуре, который реализуется с помощью высоковольтного операционного усилителя 8, управляемого напряжением, формируемым ЦАП 4. Высоковольтный операционный усилитель 8 может быть включен не только по схеме управляемого источника тока, но и по схеме не-инвертирующего усилителя для исследования МДП-структур в режиме полевых воздействий. Напряжение на исследуемой МДП-структуре измеряется-16-ти разрядным АЦП 5. Управление режимами работы высоковольтного операционного усилителя 8 осуществляется с помощью реле, установленных на плате коммутации, включение которых обеспечивается посредством 16-ти разрядного порта вывода 6 на плате контроллера 2.

Конструктивно плата контроллера 2 представляет собой плату расширения стандарта ISA, устанавливаемую в слот расширения на системной плате IBM-совместимого компьютера. Требования, предъявляемые к ЭВМ программным обеспечением версии под DOS, следующие: компьютер не хуже AT 386 DX40, версия под Windows требует компьютер не хуже Р100, 32Mb RAM и установленную ОС Windows NT 4.0.

Блок коммутации представляет собой выносное устройство, соединённое с платой контроллера гибким кабелем и размещаемое в непосредственной близости от контактирующего устройства.

При исследовании процессов генерации и релаксации зарядов, образующихся в подзатворном диэлектрике МДП-структур в сильных электрических полях, в том числе и проведении инжекционной модификации, важной характеристикой применяемых измерительных средств является их быстродействие. Применение быстродействующих устройств позволяет регистрировать быстро изменяющиеся компоненты заряда и, следовательно, получить более полную картину изменения зарядового состояния МДП-структур в сильных электрических полях. Причем быстродействие устройств для создания соответствующих токополевых режимов ограничивается во многом не столько быстродействием применяемых ЦАП и АЦП сколько процессами перезаряда емкости МДП-структуры. Перспективной с этой точки зрения является разработка специальных алгоритмов 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 МДП-структуру 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.

Исследование влияния режимов сильнополевой инжекционной модификации на пороговые напряжения МДП-транзисторов

Основной целью сильнополевой инжекционной модификации МДП-транзисторов является изменение на заданную величину их порогового напряжения. Одним из эффективных способов создания электронных ловушек в объеме подзатворного диэлектрика является пассивация термической двуокиси кремния пленкой ФСС [49-52]. Меняя концентрацию фосфора и толщину пленки ФСС, можно управлять плотностью электронных ловушек и местом локализации центроида отрицательного заряда, накапливаемого в диэлектрической пленке при сильнополевой инжекции [51,135]. В результате удается создать подзатворный диэлектрик, способный накапливать при сильнополевой инжекции требуемую плотность термостабильного отрицательного заряда, практически без деградации границы раздела полупроводник-диэлектрик.

Исследовалось влияние режимов сильнополевой инжекции электронов на модифицикацию низковольтных слаботочных стабилитронов на основе МДП-транзистора с многослойным подзатворньш диэлектриком, содержащим электронные ловушки. Для реализации режимов инжекционной модификации был разработан специальный МДП-транзистор, имеющий длину канала 2 мкм и соотношение длины канала к ширине 2-Ю4. Отличительной особенностью данного полевого прибора является то, что в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойный диэлектрик 8Ю2-ФСС толщиной 100 нм, содержащий электронные ловушки. Затвор в данном приборе не соединен со стоком и имеет собственный вывод, выполняющий роль инжекционного электрода.

С использованием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевой подложки или алюминиевого электрода проводили изменение порогового напряжения МДП-транзисторов. Изменение порогового напряжения проводилось за счёт накопления в объеме подзатворного диэлектрика требуемой плотности термостабильной компоненты отрицательного заряда. Данная компонента получалась в результате отжига инжекционно модифицированных стабилитронов при температуре 200 С в течении 1 часа.

В результате удалось установить, что использование в качестве подзатворного диэлектрика БЮг-ФСС с плёнкой ФСС толщиной около 20 нм, полученной диффузией фосфора в термическую пленку SiC 2, и концентрацией фосфора 1 % даёт возможность с помощью сильнополевой туннельной инжекции электронов по Фаулеру-Нордгейму корректировать напряжение стабилизации непосредственно на готовых приборах в диапазоне от 3,2 В до 0,1 В. Корректировка производится за счёт накопления в объеме подзатворного диэлектрика требуемой плотности термостабильной компоненты отрицательного заряда. Данная компонента получается в результате отжига инжекционно модифицированных стабилитронов при температуре 200 С в течении 1 часа.

Изменение порогового напряжения МДП-транзисторов осуществлялась путем накопления в объеме подзатворного диэлектрика отрицательного заряда, образующегося в результате захвата на ловушки части электронов, инжектированных в диэлектрик в сильных электрических полях в режиме постоянного напряжения.

На рис. 3.6 показаны зависимости порогового напряжения МДП-транзисторов от времени инжекции для различных значений положительного напряжения прикладываемого к затвору. Во время инжекции подложка транзистора заземлялась. Приложение к затвору МДП-транзистора VT

Зависимости порогового напряжения МДП-транзисторов от времени инжекции для различных значений положительного напряжения прикладываемого к затвору: 1 - 70 В; 2 - 72 В; 3 - 73 В постоянного напряжения положительной полярности вызывало сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремниевой подложки. Измерение ВАХ на МДП-конденденсаторах, изготовленных совместно с исследуемыми МДП-транзисторами, показало, что при данных напряжениях через подза-творный диэлектрик протекает инжекционный ток плотностью 10"6 -г- 10"5 А/см2.

Как видно из рис. 3.6, сдвиг порогового напряжения МДП-транзисторов при инжекционной модификации имеет полевую зависимость, возрастая с увеличением приложенного напряжения. Данный результат хорошо согласуется с ранее полученными экспериментальными данными, характеризующими накопление отрицательного заряда в подзатворных диэлектриках МДП-структур с термической пленкой Si02, пассивированной пленкой ФСС [51, 129-132]. Как было показано в [129] плотность отрицательного заряда пропорциональна плотности заряда инжектированных электронов и, следовательно, с повышением напряжения на затворе МДП-транзистора воз-. растает плотность туннельного тока и за единицу времени инжектируется больший заряд.

На рис. 3.7 приведены зависимости сдвига порогового напряжения МДП-транзистора после сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевой подложки (кривая 1) и последующего отжига (кривая 2) от времени инжекции. Для реализации режима сильнополевой инжекции электронов из кремниевой подложки к затвору МДП-транзистора прикладывалось положительное напряжение 73 В. Кривая 2 на рис. 3.7 характеризует термостабильную компоненту отрицательного заряда для получения которой после инжекционной модификации МДП-транзисторы отжигались при температуре 200 С в течение 1 часа. Как видно из рис. 3.7 термостабильная компонента отрицательного заряда составляет около 60 % от общей плотности заряда, накопленного в диэлектрике в процессе инжекции.