Содержание к диссертации
Введение
1. Генерация положительного заряда в термических пленках SiC>2 МДП-структур при сильнополевых воздействиях 12
1.1. Зарядовая природа и дефекты термических плёнок SiC>2 на кремнии 12
1.2. Влияние сильных электрических полей на генерацию положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур 21
1.3. Методы определения электрофизических параметров МДП- структур 29
1.4. Моделирование генерации положительного заряда в диэлектрике МДП-структур 35
2. Метод двухуровневой токовой нагрузки для исследования ге нерации положительного заряда в диэлектрике МДП-структур 40
2.1. Основы метода двухуровневой токовой нагрузки 40
2.2. Использование метода управляемой токовой нагрузки для исследования процессов генерации положительного заряда в МДП-структурах 46
2.3. Установка для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки 51
2.4. Совместное использование метода двухуровневой токовой нагрузки и CV-характеристик для контроля зарядового состояния МДП-структур 54
3. Исследование генерации положительного заряда в термических пленках 5Юг МДП-структур при воздействии сильных электрических полей в широком диапазоне температур 72
3.1. Генерация положительного заряда в МДП-структурах с термической пленкой S1O2 при инжекции электронов в сильных электрических полях при комнатной температуре 72
3.2. Влияние температуры на генерацию положительного заряда в МДП-структурах с толстой термической пленкой 8Юг при инжекции электронов в сильных электрических полях 77
3.3. Особенности генерации положительного заряда в тонких термических пленках S1O2 МДП-структур при инжекции электронов в сильных электрических полях 84
3.4. Влияние режимов инжекции (плотности тока) на температурную зависимость генерации положительного заряда в термических пленках МДП-структур 96
4. Моделирование процессов генерации положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур 102
4.1. Модель зарядового состояния МДП-структур с толстыми пленками в условиях сильнополевой туннельной инжекции 102
4.2. Модель зарядового состояния МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции 110
4.3. Моделирование процессов генерации положительного заряда в тонких термических пленках Si02 113
5. Применение метода контроля генерации положительного заряда в производстве МДП-ИС 122
5.1. Метод оценки качества подзатворного диэлектрика КМДП-ИМС по сдвигу напряжения, приложенному к прибору, с учетом температурной зависимости 122
5.2. Влияние технологических факторов на генерацию положительного заряда в МДП-структурах в сильных электрических полях при различных температурах и контроль качества диэлектрических пленок в производстве ИС с учетом температурной зависимости 125
5.3. Влияние температурной зависимости генерации положительного заряда в МДП-структурах с термической пленкой двуокиси кремния при проведении инжекционной модификации 136
5.4. Генерация положительного заряда в короткоканальных МДП- транзисторах 143
Основные результаты и выводы 164
- Влияние сильных электрических полей на генерацию положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур
- Использование метода управляемой токовой нагрузки для исследования процессов генерации положительного заряда в МДП-структурах
- Влияние температуры на генерацию положительного заряда в МДП-структурах с толстой термической пленкой 8Юг при инжекции электронов в сильных электрических полях
- Модель зарядового состояния МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции
Введение к работе
Актуальность темы Надёжность электронной аппаратуры и вычислительной техники в настоящее время в первую очередь связана с безотказностью и стабильностью интегральных схем (ИС). Большинство ИС выпускается по КМОП технологии, в основе которой лежат структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). 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. Авторами предложено несколько моделей, описывающих деградационные процессы. Однако в большинстве работ не уделяется достаточного внимания температурной зависимости генерации положительного заряда в сильных электрических полях, что, по-видимому, связано с недостаточностью экспериментальных данных и несовершенством методов измерения. Как показали исследования, результаты которых будут представлены в гл. 3, данная компонента вносит существенный вклад в зарядовую нестабильность МДП-приборов при их работе в критических режимах и, следовательно, не может быть исключена из рассмотрения. В результате учета данной компоненты появляется возможность более полно определить механизмы деградации подза-творного диэлектрика и критические режимы работы полупроводниковых приборов, определить пути совершенствования технологии получения диэлектрических плёнок, направленные на повышение стойкости приборов на основе МДП-структур к стрессовым воздействиям.
Исследование зарядовых явлений в диэлектрических плёнках МДП-структур проводят с помощью следующих экспериментальных методов: метода высокочастотных и низкочастотных вольт-фарадных характеристик (CV-методы), метода зарядовой накачки (СР-метод), измерение токов тер-мостимулированной деполяризации (ТСД). Однако все вышеперечисленные методы при исследовании генерации зарядового состояния МДП-структур требуют обязательной перекоммутации тестируемого образца и позволяют проводить исследования только в диапазоне слабых полей, соизмеримых с полем заряда в диэлектрике.
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 полей, причем без перекоммутации тестируемого образца. Таким образом, разработка методики исследования температурной зависимости генерации положительного заряда на его основе представляет большой практический интерес.
Цель работы
Цель работы состояла в установлении температурных закономерностей генерации положительного заряда в термических пленках SiOa МДП-структур в условиях управляемой сильнополевой инфекции электронов в диэлектрик. Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач:
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 процессов генерации положительного
заряда в МДП-структурах в сильных электрических полях в широком диа-
( пазоне температур;
разработка математической модели, учитывающей температурную зависимость генерации положительного заряда в МДП-структурах в условиях управляемой сильнополевой инжекции электронов.
оценка качества изготовления подзатворного диэлектрика МДП-ИС по температурной зависимости генерации положительного заряда.
Научная новизна
Впервые установлены температурные зависимости генерации положительного заряда в МДП-структурах SUSiCVAl н Si-SЮз-поликремний (Si*) с термической пленкой Si02 толщиной от 7 нм до 90 нм в сильных (>5 МВ/см) электрических полях при плотностях тока от 10 А/см до 1 А/см2 в диапазоне температур от -50 до +150 С.
Получены уточненные данные генерации положительного заряда при больших плотностях туннельного тока.
Разработана учитывающая температурную зависимость модель ге-нерации положительного заряда в МДП-структурах, основанная на использовании следующих процессов изменения зарядового состояния образца: межзонная ударная ионизация в Sid с созданием электронно-дырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; захват накопленными дырками инжектированных электронов; термическая ионизация дырочных ловушек.
Разработан алгоритм, реализующий метод двухуровневой токовой нагрузки.
*
Практическая ценность работы
, 1. Разработан метод исследования генерации положительного заряда
МДП-структур в сильных электрических полях в условиях инжекции заряда в диэлектрик, позволяющий отслеживать изменение зарядового состояния подзатворного диэлектрика при различных температурах.
Разработана автоматизированная установка определения зарядовых характеристик МДП-структур, реализующая предложенный метод.
Проведено сравнение генерации положительного заряда в МДП-структурах в сильных электрических полях при различных температурах,
# изготовленных в различных технологических процессах.
4. Предложена модель оценки изменения зарядового состояния МДП-
структур, позволяющая прогнозировать кинетику зарядового состояния
МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции при раз
личных температурах.
Предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса изготовления подзатворного диэлектрика КМДП-ИС на ОАО "Восход" -КРЛЗ г. Калуга.
Предложены рекомендации по совершенствованию технологиче-ского 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.
Температурная зависимость генерации положительного заряда в термических пленках Si02 МДП-структур в условиях управляемой сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик.
Модель генерации положительного заряда в термических пленках S1O2 в условиях управляемой сильнополевой инжекции электронов, учитывающая термическую ионизацию дырочных ловушек.
Результаты использования двухуровневого инжекционного метода для контроля генерации положительного заряда в МДП-структурах в условиях промышленного производства.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Юбилейной Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 1999г.), Тридцать четвёртых 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.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2000г.), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2001г.), 1-ой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению
(Калуга, 2001г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001г.), XI Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Москва, 2001г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Москва, 2001г.), Восьмой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2001» (Москва, 2001г.), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2002г), Ш Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2002г.), Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деграданионные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2002г.), Международной конференции "Физика электронных материалов" (Калуга, 2002г., 2005г.), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2003г.), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2005г.), 13th International Congress on Thin Films & 8th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces & Nanostructures (Стокгольм, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ. Результаты диссертационной работы вошли в научно-технические отчёты по хоздоговорным и госбюджетным НИР, выполненным при непосредственном участии автора.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 155 наименований и приложения. Она содержит 182 страниц сквозной нумерации, 3 таблицы и 59 рисунков.
Влияние сильных электрических полей на генерацию положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур
Сильные электрические поля, приводящие к туннельной инжекции электронов в подзатворныЙ диэлектрик, оказывают существенное влияние на зарядовое состояние МДП-структур [1-9]. Повышение интереса к исследованию процессов зарядовой нестабильности МДП-структур в условиях инжекции носителей в настоящее время связано с тем, что с увеличением степени интеграции МДП-БИС происходит уменьшение длины каналов и толщины подзатворного диэлектрика интегральных МДП-транзисторов. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-структурах, связанных с влиянием сильных электрических полей [8, 12-18]. 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 на базе МДП-структур, работающих в критических режимах - при повышенных напряжениях, в условиях лавинной или туннельной инжекции, ионизирующего облучения, импульсного магнитного поля и т.д. Все это обуславливает повышенное внимание, уделяемое в последнее время изучению процессов инжекционной деградации в МДП-структурах [12-18, 30, 31, 60-65]. При деградации МДП-структур с термической S1O2 под действием сильнополевой инжекции заряда наблюдается, как правило, захват заряда в окисле, возрастание плотности поверхностных состояний, изменение гене- рационно-рекомбинационных характеристик поверхности кремния и т.д. В результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [8, 12-18, 61-65] установлено, что при протекании тока туннельной ин-жекции, наблюдаются следующие основные процессы: происходит захват электронов на уже существующие и вновь создаваемые ловушки, протекающий вплоть до пробоя образца; наблюдается накопление положительного заряда; одновременно с накоплением положительного заряда возрастает плотность поверхностных состояний. Главным механизмом, определяющим зарядовую деградацию пленки SiC 2 при сильнополевой туннельной инжекции является накопление в ней положительного заряда. Изучению данного заряда посвящено большое количество работ [8, 12-18, 66], поскольку он не только приводит к зарядовой нестабильности диэлектрика, но и, по-видимому, 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, а с другой стороны факторами, усложняющими анализ экспериментальных данных, которыми 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 различных 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 [14, 67]. Он локализован у границы раздела Si-SiOj. Этот заряд не уничтожается электронами, захватываемыми в окисле, и может разряжаться или заряжаться почти реверсивно с большой постоянной времени, при приложении положительного или отрицательного смещения. Поэтому данному "аномальному1 компоненту положительного заряда часто дается название -медленные состояния. Существует несколько теоретических моделей, объясняющих образование положительного заряда [8, 12, 65-71]. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации [12, 65, 68]. В этой модели предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мере своего движения могут достичь энергии равной или большей 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 при катодной области положительный заряд. Однако, образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях меньших 6 МВ/см недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда. В работе [69] была предложена модель, в которой предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны вызывают возбуждение электронно-дырочной подсистемы БіОг, в результате чего могут происходить структурные изменения в S1O2, 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 наличие 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 двуокиси кремния [22, 72]. Причем инжекция дырок может происходить за счет возбуждения дырочной подсистемы под действием облучения светом и снижения высоты потенциального барьера для туннелирования дырок из контактов.
Появление дырок в двуокиси кремния в сильных электрических полях связывается также с их генерацией в результате взаимодействия инжектированных электронов с анодной границей раздела [72]. Важную роль как в процессе роста термической двуокиси кремния, так и в процессе зарядовой деградации МДП-систем в условиях сильнололевой туннельной инжекции играет водород [1-3, 12-17]. В процессе формирования окисла водород устраняет дефектные состояния в объеме S\02 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- В [12] 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 за-ряда в диэлектрике наблюдался при инжекции заряда большего 5-10" Кл/см . В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований деградационных явлений в двуокиси кремния [12-13] получены новые данные о распределении горячих электронов в SiOj по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в двуокиси кремния. На рис. 1.2 [I, 12] показаны распределения 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 [12, 13] предложена теория сильнополевого переноса электронов и ударной ионизации в двуокиси кремния. Согласно этой теории за сильнополевую деградацию пленок SICb ответственны два основных механизма. Первый механизм заключается в создании в окисле ловушек и появляется, когда электрон с энергией больше чем 2 эВ (относительно дна зоны проводимости окисла) освобождает водород из состояний дефектов около анодной границы раздела [12, 62].
Использование метода управляемой токовой нагрузки для исследования процессов генерации положительного заряда в МДП-структурах
Метод постоянного тока в настоящее время широко применяется для исследования процессов зарядовой деградации МДП-структур в условиях сильных электрических полей и инжекции носителей [9, 14, 66]. На основе результатов, полученных с использованием данного метода и его совместного применения с методами вольт-фарадных (C-V) характеристик, зарядовой накачки и др., были сформулированы модели накопления положительного заряда в диэлектрических слоях МДП-структур. Так, в качестве возможных механизмов генерации положительного заряда обычно рассматриваются межзонная ударная ионизация в пленке SiC 2, производимая инжектированными в сильных электрических полях электронами и приводящая к генерации дырок [12], инжекция дырок из анода [13], перераспределение водорода [12-17] и т.д. Для объяснения послестрессовой релаксации положительного заряда также используются различные модели, например, транспорта водорода [12-15], конверсии захваченных дырок [16, 108] и др. Несмотря на достаточно большое количество работ, посвященных данному вопросу, в настоящее время нет однозначного представления о протекающих при этом физических явлениях. Такое разнообразие используемых моделей связано не только со сложностью протекающих явлений, но и с трудностями, связанными с получением экспериментальных данных свободных от погрешностей, обусловленных сложностью разделения одновременно протекающих процессов и корректностью получаемых оценок во всех диапазонах электрических полей и инжекционных токов. Следует заметить, что в ряде случаев исключение отдельных погрешностей в экспериментальных данных позволяет не только повысить точность определения зарядов, генерируемых в условиях сильнополевой туннельной инжекции, но и пересмотреть или уточнить отдельные модельные представления о деградационных процессах в МДП-структурах в сильных электрических ПОЛЯХ. Для исследования зарядовых явлений, протекающих в МДП-структурах в сильных электрических полях, в методе постоянного тока [14, 66, 73] к МДП-структуре прикладывается импульс постоянного тока (рис. 2.2), обеспечивающий заряд емкости структуры и переход ее в режим сильнополевой туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов. Контроль зарядового состояния МДП-структуры в этом методе осуществляется по изменению напряжения, прикладываемого к структуре на участке инжекции заряда [14, 66].
При этом за начальное напряжение на МДП-структуре принимается максимальное напряжение на начальном участке инжекции VIs0 (рис. 2.2). Подразумевается, что в моменты t0 и t Q в процессе заряда емкости МДП-структуры и установления режима инжекции, соответствующего стрессовой плотности тока Is, зарядовое состояние МДП-структуры остается неизменным. Это можно считать справедливым для невысоких напряженностей электрических полей и плотностей тока инжекции, при которых скорость генерации положительного заряда мала и зарядом, накапливаемым в диэлектрике за время t0 - t0, можно пренебречь. Однако, при больших плотностях инжекционного тока возрастает скорость генерации положительного заряда и при выходе МДП-структуры на режим инжекции, соответствующий заданному стрессовому току Is, в подзатворном диэлектрике может генерироваться значительная часть положительного заряда (рис. 2.2, б). Вследствие этого начальное напряжение Viso, а, следовательно, и изменение напряжения AVjs = VIs0 - VIsl при некотором времени tj, уменьшится на величину AVpo, пропорциональную плотности положительного заряда, накопленного в диэлектрике за время выхода структуры на режим протекания стрессового тока Is (рис. 2.2, б). Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что метод постоянного тока при больших плотностях стрессового тока может давать заниженные значения величины положительного заряда. Привлечение других методов контроля величины положительного заряда, например C-V-характеристик или зарядовой накачки, требует прерывания инжекции и переключения образца, что может приводить к релаксации части положительного заряда и значительным погрешностям при определении его величины. Следует отметить, что данная погрешность определяется физическими процессами в диэлектрике МДП-структур и не связана со скоростью (дискретностью) измерений напряжения на образце. Для устранения указанных недостатков был разработан специальный алгоритм управления токовой нагрузкой, прикладываемой к образцу, изображенный на рис. 2.3, а [101]. На МДП-структуру подается два уровня ин-жекционного тока - стрессовый Is и измерительный Im. Генерация положительного заряда в подзатворном диэлектрике проводится амплитудой стрессового тока Is. Амплитуда измерительного тока Im выбирается на несколько порядков меньше Is, исходя из условия минимальной зарядовой деградации диэлектрика, вносимой этим током. Изменение зарядового состояния МДП-структуры при сильнополевой инжекции оценивается по изменению напряжения на МДП-структуре при токе Im (рис. 2.3, б). За начальное напряжение принимается напряжение Vjmo-Очевидно, что на величину Vjmo не оказывает влияние накопление положительного заряда на начальной стадии инжекции при установлении стрессового тока Is. Изменение напряжения на МДП-структуре за время ti вследствие накопления положительного заряда будет равно AVjm = Vjmo -Viml = Vso - Vis\ + AVpo. Таким образом, изменение напряжения при токе Im учитывает положительный заряд, генерированный в подзатворном диэлектрике при выходе МДП-структуры на режим инжекции, соответствующий стрессовому току.
Таким образом, значительно снижается погрешность, присущая методу постоянного тока. При исследовании процессов генерации положительного заряда может использоваться импульсный кратковременный переход из режима протекания стрессового тока Is в режим измерительного тока Im и обратно (рис. 2.3). Длительность стрессового режима ts выбирается из условия требуемой дискретности контроля величины генерированного положительного заряда и в общем случае может изменяться на различных стадиях инжекции. Длительность измерительного режима должна обеспечивать переход МДП-структуры в режим инжекции заряда током Im и не оказывать существенного влияния на зарядовое состояние образца. 2.3. Установка для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки Для реализации метода управляемой токовой нагрузки была разработана автоматизированная установка [111], 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 неинвертирующего 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 2000. Блок коммутации представляет собой выносное устройство, соединённое с платой контроллера гибким кабелем и размещаемое в непосредственной близости от контактирующего устройства. Установка имеет следующие основные параметры: — диапазон токовых воздействий 10"10 10"3 А; — амплитуда выходного напряжения, max ±200 В; точность измеряемого напряжения 1 мВ; — частота измерений, max 103Гц, При исследовании процессов генерации зарядов, образующихся в под-затворном диэлектрике МДП-структур в сильных электрических полях, важной характеристикой применяемых измерительных средств является их быстродействие.
Влияние температуры на генерацию положительного заряда в МДП-структурах с толстой термической пленкой 8Юг при инжекции электронов в сильных электрических полях
Несмотря на большое количество работ [1-6, 8, 9, 117, 132], посвященных проблемам генерации положительного заряда в МДП-структурах с термической пленкой Si02 при инжекции электронов в сильных электрических полях, до сих пор не освещен в достаточной степени вопрос влияния температуры на генерацию положительного заряда в термической пленке Si02 МДП-структур. В данном параграфе рассматривается влияние температуры на генерацию положительного заряда в МДП-структурах с толстой (порядка 100 нм) и тонкой (порядка 10 нм) термической пленкой Si02 при инжекции электронов в сильных электрических полях. При исследовании процессов генерации положительного заряда в качестве экспериментальных образцов использовались две группы тестовые МДП-конденсаторов, изготовленных в заводских условиях на пластинах КЭФ-4,5 кристаллографической ориентацией 100 . В первой группе двуокись кремния толщиной 100 нм получали термическим окислением кремния в сухом кислороде при температуре 1000 С с добавлением 3% НО. Алюминиевую пленку толщиной 1,2 мкм напыляли магнетронным методом, после чего, используя фотолитографию, формировали А1 электроды площадью lCrVlО 2 см2 и удаляли окисел с обратной стороны пластины. Последующий отжиг проводили при температуре 475С в среде азота. Во второй группе образцов двуокись кремния толщиной 7 нм получали термическим окислением кремния при температуре 850 С, а в качестве верхней обкладки использовали поликремневые электроды площадью 10" см . Для исследования процесса генерации положительного заряда в МДП-структурах проводилась сильнополевая туннельная инжекция электронов из кремниевого электрода. Диапазон инжекционного тока Is, используемого для стресса, изменялся в пределах 10 - 10" А/см . На рис. 3.2 показаны сдвиги напряжения на МДП-структуре в режиме протекания постоянного инжекционного тока, полученные при различных температурах образцов. В соответствии с [1-3, 100], данный сдвиг напряже- нші пропорционален плотности положительного заряда, накапливающегося в диэлектрической пленке МДП-структуры в процессе туннельной инжекции электронов. Как видно из рис. 3.2, с ростом температуры наблюдается снижение плотности положительного заряда, что может быть связано с термической ионизацией части дырок захваченных на ловушки. Кривые 1,2,3 (рис. 3.2) измерены в режиме постоянного инжекционного тока, а кривые Г,2 ,3 - в режиме двухуровневого инжекционного воздействия и соответствуют изменению напряжения на МДП-структуре, измеренного при токе Im.
Плотность тока Im для всех трех кривых 1 ,2 ,3 (рис. 3.2) была одинаковой и составляла 10" А/см . Характер экспериментальных зависимостей, полученных методом постоянного тока, хорошо согласуется с результатами работ [1-4]. При малых плотностях инжекционного стрессового тока изменения положительного заряда диэлектрика, измеренные в режиме протекания постоянного тока и в режиме двухуровневого токового воздействия, практиче-ски совпадали. При плотностях инжекционного тока 10" А/см при комнатной температуре и ниже изменения напряжения приложенного к структуре во время инжекции AVt, измеренные методом двухуровневой нагрузки, превышали AVj, измеренные методом постоянного тока (рис. 3.2, 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 323 К сдвиг напряжения AVj полученный методом постоянного тока и двухуровневой токовой нагрузки имеют одинаковую величину (рис. 3.2, кривые 2 и 2 ). При температуре 373 К метод двухуровневой токовой нагрузки дает заниженные значения AV\ (рис.3.2, кривая 3 ) по сравнению с методом постоянного тока, что связано с релаксацией части положительного заряда за время переключения на измерительный уровень тока, наблюдающееся при повышенных температурах. Таким образом при больших плотностях инжекционного тока метод двухуровневой токовой нагрузки дает более точные значения сдвига напряжения на МДП-структуре в результате накопления положительного заряда при температурах ниже 323 К, а при больших температурах необходимо уменьшать длительность измерительных участков Im, что с учетом переходных процессов затрудняет контроль процесса генерации положительного заряда и в этом случае целесообразно использовать метод постоянного тока. На рис. 3.3 представлены температурные зависимости плотности дырок, накапливающихся в пленке S1O2 МДП-структур при различных плотностях туннельного тока. Плотность дырок рассчитывалась из сдвига напряжения на МДП-структуре в процессе инжекции, причем AVi при температурах ниже 323 К измерялись методом двухуровневой токовой нагрузки, а при температурах выше 323 К - методом постоянного тока. Как видно из рис. 3.3, 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. Анализ экспериментальных данных приведенных на рис. 3.3 позволил сделать вывод о наличии термической ионизации части дырок, захваченных на ловушки в окисле, что согласуется с литературными данными [8, 16]. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости введения в дифференциальное уравнение для определения плотности дырочного заряда предложенное в [1] добавочного члена, описывающего термическую ионизацию дырочных ловушек. В результате установлено, что плотность положительного заряда, накапливающегося в пленке двуокиси кремния МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевого электрода, имеет температурную зависимость - снижаясь с ростом температуры. Такая модель будет базироваться на использовании следующих процессов изменения зарядового состояния образца: межзонная ударная ионизация в S1O2 с созданием электронно-дырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; захват накопленными дырками инжектированных электронов; термическая ионизация дырочных ловушек. На рис. 3.4 показана полевая зависимость абсолютной величины изменения напряжения на МДП-структуре ДУ, при различных температурах образца. При вычислении AVi (рис, 3.4) использовались данные, полученные методом постоянной токовой нагрузки, а также методом двухуровневой токовой нагрузки, причем во втором случае отдельно вычислялись AVb соответствующие стрессовому уровню инжекционного тока и измерительному уровню инжекционного тока. Как видно из рис. 3.4, все кривые имеют одинаковый характер. Судя по виду кривых, можно сделать вывод о том, что для практического использования в качестве информативного параметра оценки генерации положительного заряда при температурах выше 50 С следует выбирать изменение напряжения AVb измеренное методом постоянного тока, а при температурах ниже 50 С — напряжение, соответствующее измерительному уровню инжекционного тока при методе двухуровневой токовой нагрузки. 3.3. Особенности генерации положительного заряда в тонких термических пленках SiOz МДП-структур при инжекции электронов в сильных электрических полях До настоящего времени малоизученной областью остается исследование процессов генерации положительного заряда в термических пленках S1O2 МДП-структур, толщина которых не превышает 20 нм. Физические явления и процессы, протекающие в таких пленках имеют ряд принципиальных отличий, поэтому должны рассматриваться отдельно.
Модель зарядового состояния МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции
При моделировании зарядового состояния МДП-структур с тонкими диэлектрическими пленками в условиях сильнополевой туннельной инжекции использовалось уравнение (1.8), описывающее сдвиг напряжения на МДП-структуре при инжекции электронов из кремния. При расчете локальных электрических полей в Si02 принималось следующее допущение. Положительные и отрицательные заряды скапливаются на бесконечно тонких плоскостях расположенных в объеме Si02 в центроидах соответствующих зарядов Хп и Хр. При этом всю область диэлектрика можно представить в виде трех последовательно соединенных конденсаторов, поля внутри которых равны соответственно Ес (катодное поле) Ет (срединное поле) и Еа (анодное поле), величины которых можно определить из следующих выражений: Дифференциальное уравнение решалось методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Согласно этому методу в каждый і-й момент времени значение плотности захваченных дырок равняется: где рм - значение плотности дырок полученное на предыдущем шаге; h — шаг по времени; a/1,/2,/3 и/4 — соответствующие коэффициенты, определяемые стандартными соотношениями метода Рунге-Кутта 4-го порядка. При этом, согласно приведенному выше выражению для срединного электрического поля, должно выполняться следующее равенство: При решении данной системы уравнений получается расчетная зависимость полей и плотности захваченных дырок от времени. Результат моделирования зарядового состояния МДП-структур с тонкими диэлектрическими Пленками (dox = 16 нм) в условиях сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния приведен на рис. 4.4. Плотность стрессового тока j составляла 5,71-10"3 А/см2, Как видно, результаты, полученные с помощью модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными. До настоящего момента при моделировании поведения МДП-приборов в критических условиях (к которым, в частности, относится сильнополевая инжекция) использовалась широко распространенная модель, подробно описанная в [12,13], или ее модификации [1]. Однако перечисленные выше модели обладают рядом недостатков, а именно: не учитывается процесс релаксации части заряда во время генерации, точность расчетов не соответствует современному уровню развития технологии, алгоритм расчета весьма требователен к вычислительным ресурсам ПЭВМ, и, кроме того, модель не учитывает влияние температуры на процесс генерации заряда в диэлектрике, В представляемой работе на основе ранее полученных экспериментальных данных предложена модель деградации МДП-структур с термической плёнкой 8Юг, в условиях управляемой сильнополевой туннельной ин-жекции электронов в диэлектрик.
На основе предложенной модели исследованы процессы зарядовой деградации МДП-структур Si-Si02-Al при сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в режиме постоянного тока, а также проведено обсуждение и уточнение параметров, входящих в модель. Моделирование проводилось в пакете Maple версии 7.0. Данный пакет был выбран по следующим причинам: возможно аналитическое решение дифференциальных уравнений, регулируемая точность расчетов при вычислениях с плавающей запятой, встроенная процедура решения уравнений методом Рунге-Кутта, Кроме того, стоит отметить, что пакет Maple является стандартом de-facto при проведении научных и инженерных расчетов. При моделировании общее изменение напряжения на МДП-структуре Si-Sid-Al, обусловленное зарядовой деградацией, при постоянном токе инжекции описывалось выражением (4.1). Изменение напряжения, обусловленное накоплением в окисле положительного заряда, определялось согласно выражению (4.2). Плотность захваченных дырок находилась путем численного решения дифференциального уравнения методом Рунге-Кутта четвертого порядка (1.4). Изменение напряжения на МДП-структуре, обусловленное захватом электронов на первичные (существовавшие в исходном состоянии) ловушки S1O2, определялось выражением (4.3). Параметры модели, входящие в выражения (4.1), (1.4), (4.3) определенные из экспериментальных зависимостей были равны: 7 =5-10"14 см2; bo = В качестве экспериментальных образцов использовались тестовые МДП-конденсаторы со структурой Si-SiC 2-Al на основе термической двуокиси кремния, изготовленные промышленным способом на ОАО "Восход" (Россия). Технология получения образцов подробно описана в [123]. Изменение зарядового состояния МДП-структур контролировалось с использованием метода управляемой токовой нагрузки [6], заключавшегося в приложении к образцу импульса тока специальной формы, обеспечивающего заряд ёмкости МДП-структуры и последующую сильнополевую туннельную инжекцию электронов в диэлектрик, обычно осуществляемую в режиме протекания постоянного тока. В течение сильнополевой инжекции измерялось приращение напряжения на МДП-структуре ДУЬ характеризовавшее изменение зарядового состояния МДП-структуры. В результате опытов был охвачен диапазон температур от -50 до +100 С. В экспериментах использовалась инжекция постоянного тока различной плотности. За время каждого эксперимента в диэлектрик был проин-жектирован заряд порядка 1 мКл/см . Результаты расчета с использованием предложенной модели приведены на рис. 4.5. На рис. 4.5 показано изменение напряжения AVj на МДП-структуре в процессе туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от величины инжектированного заряда. Все кривые на рис. 4.5 приведены для режима протекания постоянного тока плотностью 10 А/см . На рисунке хорошо прослеживается динамика изменения точности результатов, полученных с помощью математической модели.
Если кривая 1, соответствующая применению исходной модели, описанной в [2], носит ступенчатый характер, обусловленный достаточно грубым численным решением дифференциального уравнения, то уже первый результат модифицированной модели (кривая 2) носит плавный характер, этого удалось добиться за счет введения в алгоритм процедуры аналитического решения дифференциального уравнения. Кривая 3 получена введением в модель дополнительного коэффициента, учитывающего процесс ионизации. Кривая 4 была получена введением в модель процедуры, минимизирующей применение численных методов и опирающейся на встроенные функции Maple, отличающиеся высокой точностью. В итоге, кривая 4 идеально совпадает с экспериментальными данными, полученными для данного режима инжекции. Для более детальной проверки рассматриваемой модели на соответствие результатам эксперимента было проведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей напряжения сдвига вольтамперных (I-V) характеристик AVi систем Si-Si02-Al, изготовленных в едином технологическом цикле для различных плотностей инжекционного тока. На рис. 4.6 приведены результаты расчета с использованием описанной модели, где показано изменение напряжения AVi на МДП-структуре в зависимости от величины инжектированного заряда в процессе туннельной инжекции электронов из кремния в режиме протекания постоянного тока различной плотности 10" - 10" А/см . Очевидно, что результаты расчетов с применением описанной модели хорошо коррелируют с полученными экспериментальными данными в достаточно широком диапазоне плотностей инжекционных токов. В результате, можно сделать вывод о том, что разработана модель ин-жекционной деградации МДП-структур с термической пленкой Si02, корректно учитывающая, во-первых, захват электронов на первичные электронные ловушки в Si02 и, во-вторых, накопление положительного заряда, возникающего в результате межзонной ударной ионизации в SiCb с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в окисле, а также инжекции дырок из анода. Показано, что процессы изменения зарядового состояния подзатворно-го диэлектрика нельзя рассматривать как простую суперпозицию отдельных механизмов накопления зарядов, поскольку их взаимное влияние усложняет общую картину зарядовой деградации и требует использования моделей, учитывающих динамику захвата зарядов и изменения локальных электрических полей в диэлектрике, обусловленных взаимодействием этих зарядов.
