Введение к работе
Актуальность темы. С момента появления первых полупроводниковых приборов остро встал вопрос об устранении нестабильности их электрических характеристик и отказов, обусловленных ионными дрейфоао-диффузионными процессами (ИДДП). протекающими на поверхности и в объеме диэлектрических слоев. Наибольшую нестабильность вызывают ионы водорода и ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия. В настоящее время технологи, изготавливающие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы на основе кремния с термически выращенной пленкой двуокиси кремния, научились в известной мере бороться с ионной нестабильностью. Это достигается за счет пассивации пленок двуокиси кремния галогенами, например, хлором при окислении кремния в хлор-содержащей атмосфере или геттерирования ионов щелочных металлов пленками фосфоросиликатнога стекла (ФСС), нитрида кремния и другими пленками, наносимыми поверх пленок двуокиси кремния.
В развитии представлений о протекании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-лриборов (приборов на основе структур металл-диэлектрик-лолупроводник) можно выделить два этапа. На первом этапе (до 1981 года) в теоретических работах ( например, Collins F.S. // Bectrochem. Soc. 1965. Vol.112. N.a P.786-791; Romanov V.P., Chaplygin Yu.AV/ Phys. Stal. Sol.(a). 1979. Vol.53. P.493-498) , учитывалось лишь участие подвижных ионов в процессах диффузии и дрейфа в электрическом попе. Начало второго этапа в изучении природы ИДДП связано с работой ( Romanov V.P. // Phys. Stat. Sol (а) 1982. Vol. 70. P. 525-532), а которой показано, что на поведение подвижных ионов в таких диэлектрических слоях, как термически выращенная двуокись кремния, структуры металл-двуокись кремния-кремний существенное влияние оказывает упругое поле. Однако, несмотря на эти достижения в понимании физики ионных процессов к началу работы над диссертацией не существовало адекватной теории ИДДП. позволявшей описывать процесс геттерирования подвижных ионов в диэлектрических слоях, а это в свою очередь, создавало определенные трудности в проведении работ по улучшению качества и повышению надежности МДП-приборов и интегральных микросхем на их основе.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэпектри-. ческих слоях с учетом участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов и разработке на основе этих исследований теории геттерирования подвижных ионов, методик нахождения значений электрофизических параметров, ха-
растеризующих протекание УЩДП е диэлектрике, и их применении для исследования МДП-структур.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДПчлрухтур, учитывающая участие ионов а процессах ассоциации и диссоциации комплексов. Аналитические выражения для равновесных распределений концентраций подвижных и захваченных ионов, напряженности и потенциала электрического поля е слоях фосфоросиликатного стекла, океинигрида кремния , двуокиси кремния, легированной хлором, и в двухслойной структуре ФСС-двуокись кремния для случая слабого упругого поля и однородного распределения центров захвата, а также аналитическое выражение для напряженности электрического поля в указанных диэлектриках для среднего и сильного упругих полей. .;'
-
Результаты численного моделирования на ЭВМ поведения ионов натрия в различных диэлектрических слоях МДП-структур с учетом участия ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях и ассоциации и диссоциации комплексов.
-
Результаты теоретических исследований влияния степени компенсации подвижного заряда на его равновесные распределения в диэлектриках и полупроводниках.
-
Методики нахождения значений величины ионного заряда, энергии активации, констант ассоциации и диссоциации комплексов и параметров взаимодействия ионов с упругим полем в пленке диэлектрика, основанные на анализе динамических вольт - амперных характеристик (ДВАХ) и термостимулировакных токов (ТСТ) МДП-структур, подвергнутых различным термополевым обработкам.
-
Результаты экспериментальных исследований ИДДП е двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния.
-
Результаты двумерного моделирования ионных дрейфово-диффузионных процессов а двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, изолирующем затвор в короткоканальных кремниевых МДП-транзисторах.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной студенческой научно-технической конференции По проблемам экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов, НЭТИ ( Новосибирск, 1984 г.);
It Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ
статистических испытаний изделий электронной техники" (Суздаль, 1985г.);
« Всесоюзной научной конференции "Исследование и разработка перспективных ИС памяти" (Москва, 1986г.);
Втором Всесоюзном совещании-семинаре " Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем* {Одесса, 1986г. );
Всесоюзной научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электроника" (Москва, 1988г.);
Третьем Всесоюзном совещании-семинаре " Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса, 1988г.);
Ш Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ЙМС и их элементов" < Суздаль, 1989г.);
VII Международной конференции по микроэлектронике "Диагностика материалов и изделий микроэлектроники, вопросы качества и безотказности элементов и схем" {Минск, 1990г.).
Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых лриборов"(Нижний Новгород - Астрахань1992 г.).
Научная новизна и практическая ценность
-
Разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающая наряду с диффузией и дрейфом ионов в электрическом и упругом полях участие их в процессах ассоциации и диссоциации комплексов, и позволяющая описать геттврироаание подвижных ионов пленками фосфоросиликатного стекла, оксинитрида кремния и двуокиси кремния, легированной хлором.
-
8 одномерном приближении получены аналитические выражения, описы- '': еающие равновесные распределения концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях ФСС, оксинитрида кремния, хпорсодержа-щей пленке двуокиси кремния и структуре ФСС-двуокись "ремния для однородного распределения центров захвата ионов и слабого упругого поля, и аналитиче-. ское выражение для напряженности электрического поля в перечисленных диэлектрических слоях для среднего и сильного упругих полей.
3. Установлено, что с увеличвн*іш«»ояйА«нода.*аряда« ;Щ*№щ>твсхім» слое длина экранирования электричесхого поля , уменьшаясь, стремится к насыщению, определяемому отношением толщины диэлектрика к числу я.
А. Разработаны теории динамических вольт-амперных характеристик и термо-стимулированных токов ВДП-струхтур, учитывающие процессы геттерирования подвижных ионов.
-
Разработаны методики нахождения из анализа ДВАХ и ТСТ МДП-структур значений важных физических параметров, характеризующих протекание ИДДП в диэлектрических слоях, таких как величина ионного заряда, энергия активации, константы ассоциации и диссоциации комплексов и параметры взаимодействия ионов с упругим полем. Проведено исследование структур Мо-ФСС-SiOr-Si и определены значения указанных параметров.
-
Проведено двумерное моделирование ИДДП в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, изолирующем затвор короткоканального МДП-транзистора на кремнии. Разработана программа двумерного моделирования на ЭВМ ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях короткоканального МДП-транзистора.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ.
Структура и o&bev работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 103 страницах, включая 40 рисунков и список литературы из 92 наименований.