Введение к работе
Актуальность темы. Исследованию ионных дрейфово-диффузнонных процессов (ИДДП) в диэлектриках посвящено большое количество работ Это связано с тем, что с появлением первых полупроводниковых приборов именно ионные процессы, протекающие на поверхности и в объеме диэлектрических слоев, давали значительный вклад в нестабильность электрических характеристик и отказы изделии. Наибольшую нестабатьность вызывают ионы водорода и ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия. Технологи, изготавливающие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы на основе кремния с термически выращенной пленкой диоксида кремния, научились в известной мере бороться с ионной нестабильностью. Это достигается за счет пассивации пленок диоксида кремния галогенами, например, хлором при окислении кремния в хлорсодержащей атмосфере или геттерирования ионов щелочных металлов пленками фосфоросиликатного стекла (ФСС), нитрида кремния и другими пленками, наносимыми поверх пленок диоксида кремния.
Следует отметить, что в настоящее время с ионными дрейфово-диффу-эионнымп процессами не только борются при изготовлении высоконадёжных полупроводниковых приборов, но и используют их при создании энергонезависимых перепрограммируемых запоминающих устройств на основе МДП-ячейки памяти (ячейки памяти на основе структуры металл - диэлектрик -полупроводник) с ионным носителем информации.
В развитии представлений о протекании ионных дрейфово-диффузнонных процессов в диэлектрических слоях можно выделить три этапа. На первом этапе (до 1981 года) в теоретических работах (например, Collins F. S. // J. Electrochera. Soc. - 1965. - Vol. 112, № 8. - P. 786 - 791; Romanov V. P., Chaplygin Yn, A. 11 Phys. Stat. Sol.(a). - 1979. - Vol. 53. - P. 493 - 498), учитывалось лишь участие подвижных ионов в процессах диффузии и дрейфа
4 в электрическом поле. Начало второго этапа в изучении природы ИДДП связано с работой (Romanov V. P. // Piiys Stat. Sol.(a). - 1982. - Vol. 70. - P. 525 -532), в которой показано, что на поведение подвижных ионов в таких диэлектрических слоях, как термически выращенный диоксид кремния в структуре металл - диоксид кремния - кремний, существенное влияние оказывает упругое поле. Третий этап в исследовании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках берет начало с работ (Романов В. П., Сапольков А. Ю. // Дефекты структуры, методы их обнаружения, их влияние на параметры твердотельных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ.-М.: МИЭТ. 1984. - С. 35-41.; Романов В. П., Сапольков А. Ю // Вопросы микроминиатюризации РЭА и ЭВА: Межвуз. сб. МИЭМ.-М.: МИЭМ. 1988. - С. 29 - 33.), в которых проведен учет участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации химических комплексов и разработаны основы теории геттерирования подвижных ионов.
Новые возможности в исследовании ИДДП открываются при использовании атомистического подхода к анализу переноса ионов (Yamashita К., Iwa-moto М„ Ніш Т. // Japan. J. Appl. Phys. - 1981. - Vol. 20, № 8. - P. 1429 -1434.; Романов В. П., Золочевский Ю. Б., Сапольков А. Ю. // Изв. вузов. Электроника. - 1997, N 5. - С. 3 - 7.), учитывающего дискретность среды. Он позволяет проводить исследование ионных дрейфово-диффузионных процессов в сверхтонких диэлектрических слоях, когда континуальный подход уже не работает.
Цель диссертационной работы заключается в разработке теории ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающей участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации химических комплексов, в экспериментальном обосновании теоретических положений и разработке методик нахождения значений электрофизических параметров, характеризующих протекание ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур, и исследовании влияния под-
вижиых ионов в диэлектрике на электронные процессы в МДП-структуре и МДП-транзисторе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ современных представлений о протекании иошшх дрейфово-диффузнонных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, выявить экспериментальные данные, которые не могут быть объяснены с позиции существующей теории и разработать физическую модель ИДДП, устраняющую недостатки предшествующей модели.
-
Разработать теории динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) МДП-структур и термостимулированных токов (ТСТ) в диэлектрике МДП-структуры, учитывающие взаимодействие ионов с электрическим полем, упругими полями концентрационного и неконцентрационного происхождений, участие ионов в процессах диффузии, ассоциации и диссоциации химических комплексов.
-
Разработать и изготовить автоматизированный на базе ЭВМ комплекс для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре.
-
Разработать математическое обеспечение для проведения теоретических исследований ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур и МДП-транзисторов аналитическим методом и методом численного моделирования на ЭВМ и провести такие исследования.
-
Провести экспериментальные исследования ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур методами термостимулированных токов, вольт-фарадных и динамических вольт-амперных характеристик.
Научная новизна работы
-
Разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающая участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом нолях, ассоциации и диссоциации химических комплексов. Адекватность теории подтверждена результатами исследований распределений концентрации ионов натрия в диоксиде кремния, диоксиде кремния, легированном хлором, и двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, ДВАХ структур А1 - S1O2 - Si и Мо - ФСС - SiC»2 - Si и ТСТ в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния структуры Мо - ФСС - SiO} - Si.
-
На основе атомистического метода в одномерном приближении получено аналитическое выражение для плотности потока ионов в диэлектрике, включающее плотности диффузионного, дрейфового электрического и дрейфового упругого потоков. Показано, что в предельном случае слабых электрического и упругого полей выражение для плотности потока ионов, полученное с помощью атомистического метода, совпадает с выражением для плотности потока ионов, полученным с помощью континуального метода.
-
Получены аналитические выражения для равновесных распределений концентрации подвижных ионов, напряженности и потенциала электрического поля по толщине однородного диэлектрика, диэлектрика с линейно изменяющейся по координате диэлектрической проницаемостью и двухслойного диэлектрика. Аналитическим методом и методом численного моделирования на ЭВМ проведены исследования влияния упругих полей концеїпрационного и неконцентрационного происхождений на распределения ионов в диэлектрике МДП-структуры, на основе которых предложена методика нахождения параметров упругого поля В соответствии с этой методикой определены значения энергетического и силового параметров упругого ноля в термически вы-
ращенных пленках диоксида кремния структуры металл - диоксид кремния -кремний.
-
Получены интегральные соотношения для нахождения ионных эквивалентных поверхностных зарядов на границах разделов диэлектрик - полупроводник ()м и диэлектрик - металл QhlS МДП-структур с диэлектриком, имеющим произвольную диэлектрическую неоднородность, на основе которых найдены аналитические выражения для (Л,., в случаях однородного диэлектрика, диэлектрика с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости от координаты и двухслойного диэлектрика. Проведены теоретические и экспериментальные исследования ( в структурах Al - S1O2 - Si, позволившие найти значения силового и энергетического параметров упругого поля и полного заряда ионов в диоксиде кремния.
-
Разработаны основы теории ионной дрейфово-диффузионной поляризации в диэлектрических слоях. Получено аналитическое выражение для времени релаксации ионной системы и проведены исследования частотных зависимостей действительной и мнимой компонент диэлектрической восприимчивости.
-
Развита теория геттерирования ионов щелочных металлов применительно к хлорсодержащему диоксиду кремния и фосфоросиликатному стеклу в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния и проведены расчеты распределений концентрации ионов натрия в этих диэлектриках.
-
Разработаны теории динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и термостимулированных токов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающие участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом долях, ассоциации в Диссоциации комплексов. Проведены экспериментальные и теоретические исследоэания ДВАХ структур М - 5Юг - Si и Мо - ФСС - SiOj - Si и ТСТ Э двухслойном диэлектрике ФСС -
диоксид кремния структуры Мо - ФСС - S1O2 - Si, позволившие разработать методики нахождения значений таких параметров, как величина ионного заряда, энергия активации, частотный фактор, константы ассоциации и диссоциации комплексов и константы взаимодействия ионов с упругим полем.
8 Установлено, что термополевые воздействия на структуру Al - SiO^ - Si при положительном потенциале на алюминии приводят к частичной нейтрализации положительного заряда ионов в области границы раздела диоксид кремния - кремний. Предложена физическая модель, объясняющая этот эффект, согласно которой нейтрализация ионного заряда осуществляется за счет термо-полевой эмиссии электронов из кремния на состояния, индуцированные ионами щелочных металлов. Адекватность модели подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями ДВАХ структур Mo - SiCb - Si. Проведены теоретические исследования термоэлектронной полевой эмиссии из металла в диэлектрик МДП-структуры, стимулированной зарядом подвижных ионов.
9. Проведено двумерное моделирование ионных дрейфово-диффузионных процессов в диоксиде кремния и двухслойной структуре ФСС - диоксид кремния, изолирующих затвор в п-канальных кремниевых МДП-транзисторах, позволившее установить связь пространственного распределения концетрации подвижных ионов с режимами работы транзистора и исследовать влияние ионов на распределение электрического потенциала вдоль границы раздела диэлектрик - полупроводник и на пороговое напряжение прибора. Даны рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-гранзисторов на стабильность их параметров и надежность.
Практическая ценность работы
1. Предложенная теория ИДДП расширяет представления о поведении подвижных ионов в диэлектрических слоях. Она позволяет не только учиты-
вать участие ионов в процессах диффузии и дрейфа в электрическом поле, как это делается при традиционном подходе, но и учитывать дрейф ионов в упругих полях концентрационного и неконцентрацнонного происхождений и их участие в процессах ассоциации и диссоциации комплексов. Это дает новые возможности для проведения исследований ионных процессов в механически напряженных диэлектриках и диэлектриках, обладающих геттерирующими свойствами. Применение разработанной теории ИДДП для анализа экспериментальных данных повышает информативность и достоверность результатов исследований.
-
На основе развитой теории ИДДП разработаны методики нахождения значений таких важных физических параметров, характеризующих протекание ионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, как величина ионного заряда, энергия активации, частотный фактор, энергетический и силовой параметры упругого поля, константы ассоциации и диссоциации химических комплексов.
-
Разработан и изготовлен автоматизированный на базе ЭВМ комплекс для измерения термостимулированных токов в диэлектрических слоях, вольт-фарадных и динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и обработки экспериментальных данных в соответствии с предложенной методикой нахождения значений физических параметров, характеризующих протекание ИДДП.
-
Разработан и изготовлен измеритель неравновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик, предназначенный для экспрессного определения значений электрофизических параметров МДП-структур.
-
На основе анализа результатов двумерного моделирования ИДДП в диоксиде кремния и в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, п-канального кремниевого МДП-транзистора даны рекомендации по оптимиза-
10 цни режимов термополевых испытаний МДП-транзиеторов с целью оценки сіабнльїіости их параметров и надежности.
Положения, выносимые на защиту
-
Ионные дрейфово-днффузионные процессы в диэлектриках в общем случае определяются взаимодействием ионов с электрическим полем и упругими полями концентрационного и неконцентрационного происхождений и их участием в процессах диффузии, ассоциации и диссоциации химических комплексов. Это положение, подтвержденное результатами экспериментальных исследований, лежит в основе разработанной теории ИДЦП.
-
Дрейфовый упругий поток ионов в случае слабого упругого поля в линейном приближении может быть представлен в виде суммы двух потоков, один из которых пропорционален концентрации ионов N(x) и силовому параметру у, численно равному силе, действующей на ион со стороны упругого
поля, ( J „Л ~~\Х(УІ(])^(Х), где q и и, - заряд и подвижность иона соответственно ), а другой поток пропорционален концентрации ионов, градиенту концентрации ионов, энергетическому параметру а, определяющему изменение энергии взаимодействия нона с упругим полем при изменении концентрации ионов на единицу, и обратно пропорционален температуре
( Jj,",2 =-ДаШ')\'(x)YN(.x), где D - коэффициент диффузии ионов,
Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана ).
3. При высокой концентрации подвижных ионов ( N(x) » кТIо. ) в ис
ходно механически ненапряженном диэлектрике дрейфовый упругий поток
ионов концентрационного происхождения ( /<)2=-D(a/iT)N{j)VN(x)\ совпадающий по направлению с диффузионным потоком I -Кшфф = ~IF?N{x) ). значительно превышает последний. В эюм случае при
условии динамического равновесия градиент концентрации ионов пропорционален напряженности электрического поля /;'(*), а именно VN(x)~(q/a)fi(x).
-
Увеличение количества подвижных ионов в диэлектрическом слое, заряд которых не компенсирован, приводит к уменьшению длины экранирования электрического поля, которая в пределе бесконечно большого числа ионов стремится к насыщению, определяемому отношеїшем половины толщины диэлектрика к числу я.
-
Ток эмиссии электронов из металла в диэлектрик МДП-структуры зависит от пространственного распределения подвижных ионов и температуры. С увеличением степени оттеснения ионов к границе с металлом в области соответствующих температур происходит постепенный переход от термоэлектронной эмиссии к термоэлектронной полевой эмиссии и затем к полевой эмиссии электронов из металла.
-
В структурах металл - диоксид кремния - кремний с широкой переходной областью границы раздела S1O2 - Si (порядка сотни ангстрем) имеет место частичная нейтрализация ионного заряда электронным вследствие термоэлектронной полевой эмиссии на состояния, индуцированные ионами натрия в переходном слое.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Конференции "Физические проблемы МДП-интегралыюй электроники" (Севастополь, 1983 г.);
Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем" (Гурзуф, І983 г.);
HI Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" ( Рязань, 1984 г.);
II Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний изделий электронной техники" {Суздаль, 1985 г.);
Всесоюзной научной конференции "Исследование и разработка перспективных ИС памяти" ( Москва, 1986 г.);
Втором Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" ( Одесса, 1986 г. );
XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике ( Тбилиси,
1987 г.);
« VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск,
1988 г.);
IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" ( Новосибирск, 1988 г. );
Всесоюзной научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" ( Москва, 1988 г. );
Третьем Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" ( Одесса, 1988 г.);
» Ш Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ИМС и их элементов" ( Суздаль, 1989 г.);
VII Международной конференции по микроэлектронике "Micro
electronics'90" ( Минск, 1990 г.);
Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" ( Сочи, 1991 г.);
Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" ( Нижний Новгород - Астрахань 1992 г.);
Второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика - 97" ( Москва, 1997 г.);
Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97" (Санкт-Петербург, 1997 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 74 научных работы, ссылок сделано из них на 43 работы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 164 страницах, включая 81 рисунок и список литературы из 98 наименований.
