Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование качества выпускаемой радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры неразрывно связано с проблемой повышения стабильности и надежности комплектующих ее элементов и микросхем. Явления зарядовой нестабильности оказывают существенное влияние на работу приборов на основе систем металл-днэлектрик-полу-проводппк (МДП), непосредственно влияя на их рабочие характеристики. Особое значение имеет исследование зарядовой нестабильности МДП-систем в сильных электрических полях, приводящих к инжекцни носителей заряда в диэлектрик. В результате появляется возможность определить механизмы деградации и критические режимы работы полупроводниковых приборов, наметить пути совершенствования технологии получения диэлектрических пленок, направленные на создание высоконадежных приборов.
Не только научное, но и большое практическое значение имеет исследование зарядовых характеристик структур с двухслойным диэлектриком Si02—ФСС (фосфорно-силикатное стекло). Подзатворный диэлектрик со структурой Si02—ФСС используется во многих серийно выпускаемых полевых приборах с целью стабилизации их электрических параметров. Образование пленок ФСС наблюдается также в структурах Si —Si02 — полнкристаллический кремний, легированный фосфором, являющихся основой современных БИС. При этом отсутствие надежных данных о характере зарядовой деградации МДП-систем с двуокисью кремния, легированной фосфором, не позволяет эффективно управлять изменением характеристик структур Si02— ФСС и соответственно приборов, работающих на их основе, что не только снижает процент выхода годных изделий, но и затрудняет повышение их надежности.
Для исследования зарядовых явлений в диэлектрических пленках МДП-систем при критических воздействиях широкое применение нашли следующие экспериментальные методы: воздействия постоянным электрическим полем, облучения ионизирующей радиацией, лавинной ннжекции, фото-инжекции, инжекцин заряда постоянным током и т. д. Одним из наиболее перспективных среди рассмотренных методов является метод инжекцин заряда импульсом постоянного тока, обладающий большой информативностью и экспрессностью и легко поддающийся автоматизации. Таким образом, дальнейшее развитие данного метода, направленное на увеличе-
нне информативности и повышение точности обрабатываемых экспериментальных данных, а также его совместное использование с другими методами, представляет большой практический интерес.
Цель работы. Разработка методики определения основных электрофизических параметров диэлектрических пленок МДП-систем в сильных электрических полях и исследование зарядовых явлений в МДП-системах на основе пленок Si02 и Si02 — ФСС при высокополевой инжекции заряда. Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач:
-
разработка инжекцнонного метода и установки комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-систем на базе метода высокополевон инжекции заряда импульсом постоянного тока;
-
комплексное исследование зарядовых явлений в МДП-системах с двухслойным диэлектриком Si02 — ФСС, изучение возможности управления электрическими параметрами подзатворного диэлектрика в процессе формирования ФСС;
-
усовершенствование технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-БИС, разработка конструкций новых приборов с использованием результатов, полученных в ходе работы.
Научная новизна.
-
Впервые получено выражение для описания ВАХ МДП-структуры при приложении к ней прямоугольного импульса гока на основе учета процесса заряда емкости МДП-струк-гуры.
-
Экспериментально показано, что средняя по площади пластины величина зарядов, инжектированных в диэлектрик до первого его пробоя, является показателем качества подзатворного диэлектрика МДП-системы.
-
Экспериментально установлено, что при инжекции электронов из Si импульсом постоянного тока в диапазоне 10-7—10-5 А/см2 в МДП-системах п — Si — Si02 — ФСС — А1 кинетика зарядовой деградации имеет полевую зависимость, в то время как при инжекции электронов из алюминия она практически отсутствует.
-
Впервые предложен метод определения концентрации фосфора в пленке Si02 — ФСС по величине приращения напряжения на МДП-структуре в случае туннельной инжекции электронов из кремния в диэлектрик импульсом постоянного тока в диапазоне 10-7—10~5 А/см2.
Практическая ценность работы.
-
Разработай ннжскцнонный метод и автоматизированная установка комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-систем, позволяющие измерять: емкость МДП-структуры, вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс зарядовой деградации, величину заряда, инжектированного в диэлектрик, вплоть до пробоя образца.
-
Разработаны четыре новых способа ускоренного измерения напряжения микропробоя (а. с. № 1637603, а. с. № 1637604, а. с. № 1829787), позволяющие более чем па порядок повысить производительность контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев по ОСТ 11 20.9903—86.
-
Предложен способ определения плотности н центроида захваченного в диэлектрике заряда по результатам измерения приращения напряжения микропробоя при различной полярности верхнего электрода.
-
Разработан способ контроля зарядовой нестабильности МДП-систем по результатам измерения токов ТСД. Поляризация образца в данном способе осуществляется прямоугольным импульсом тока до достижения максимальной величины приращения напряжения на МДП-структуре (а. с. № 1632189).
-
Предложен способ контроля концентрации фосфора в пленке ФСС в А\ДП-снстемах с двухслойным диэлектриком SiC>2 — ФСС по величине приращения напряжения па МДП-структуре в процессе туннельной ннжекции электронов при фиксированном значении инжектированного заряда.
-
На базе комплексных исследовании разработаны рекомендации по коррекции технологических режимов получения подзатвориого диэлектрика, которые используются в технологическом процессе серийно выпускаемых КМДП-ИС 564 серии.
-
Разработаны конструкции высоковольтного слаботочного стабилизатора тока и низковольтного слаботочного стабилитрона, начат их серийный выпуск.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Метод расчета ВАХ МДП-структуры при приложении к ней прямоугольного импульса тока плотностью J0 на основе выражения:
)1щ (t) =J0-d[CWt) -lW(t)]/dt, (1)
где \щ — ток инжекции; СМдп(Ь) и Имдп^) —временные зависимости емкости и напряжения на МДП-структуре соответственно.
Предложенный метод можно использовать при условии, что изменение зарядового состояния диэлектрика много меньше величины инжектированного заряда.
-
Поддержание постоянным уровня инжекции носителей заряда в подзатворный диэлектрик МДП-структуры за счет подачи прямоугольного импульса тока исключает влияние перераспределения внутренних электрических полей в диэлектрике на инжекцию, что упрощает измерение величины инжектированного заряда и параметров захваченного в диэлектрике заряда.
-
При инжекционных нагрузках в диапазоне токов Ю-7— 10-5 А/см2 в МДП-структурах п — Si — Si02 — ФСС — А1 зарядовая деградация обусловлена накоплением положительного и отрицательного зарядов в слое диэлектрика при инжекции электронов из кремния и накоплением отрицательного заряда при инжекции электронов из алюминия.
-
Приращение напряжения на МДП-структуре n — Si— Si02 — ФСС—А1 при туннельной инжекции электронов из кремния в диапазоне токов \0~7—10~5 А/см2 пропорционально концентрации фосфора в пленке ФСС.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов в машино- и приборостроении» (Калуга, 1987); Научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (Калуга, 1988); Всесоюзный научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем» (Калуга, 1989); Региональной научно-технической конференции «Моделирование и автоматизация проектирования сложных технических систем» (Калуга, 1990); Региональной научно-технической конференции «Прогрессивные материалы, технологии и конструкции в машино- и приборостроении (Калуга, 1990); Региональной научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и проблемы математического моделирования» (Калуга, 1991); Третьей Всесоюзной конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинев, 1991); Международной научно-технической конференции «Физические аспекты надежнос-
ти, методы и средства диагностирования интегральных схем» (Воронеж, 1993); Российской научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем» (Калуга, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, из них 4 авторских свидетельства на изобретение. Результаты диссертационной работы вошли в 5 научно-технических отчетов по хоздоговорным НИР, выполненным при непосредственном участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 148 наименований и приложения. Она содержит 177 страниц сквозной нумерации, в том числе 131 страницу машинописного текста, 3 таблицы и 46 рисунков.
