Введение к работе
Актуальность тоны. Функционирование микроэлектронных приборов и интегральных схем связано с протеканием процессов переноса электронного и ионного зарядов в полупроводнике и диэлектрическом слое. Важную, а зачастую опредолявдуп роль в работе микросхем играет явления, происходящие на поверхности диэлектрических пленок.
Проблема поверхностного ионного дрейфа оставалась актуальной на всех этапах развития полупроводниковой электроники. Дрейф биографических и генерируемых в процессе эксплуатации приборов заряіенних частиц по поверхности диэлектрических слоев является паразитным эффектом, приводящим к неконтролируемым изменениям таких характеристик, как обратные токи p-n-переходов, коэффициент усиления транзисторов, пороговое напряжение полевых приборов и т.д. В настоящее время, благодаря внедрению в практику совершенных технологических методов (ионной имплантации, электроннолучевой литографии, окисления в хлоросодеріаідей среде) проблему получения стабильных изолирующих слоев, лишенных посторонних электрически-активных примесей, в принципе можно считать ревенной. При низкой объемной проводимости диэлектрических пленок основное влияние на нестабильность характеристик никроэлектронных приборов в реальных условиях их эксплуатации оказывают миграционные процессы на поверхности диэлектрика или межслоовых границах раздела диэлектрических пленок. Процесс миграции нонсв пс внешней поверхности пассивирующих или защитных покрытий при приложении электрического поля обуславливает появление паразитных токов утечки, а также изменение распределения потенциалов по поверхности, диэлектрического слоя, нарушая оптимальные рабочие режимы приборов. Как показывает статистический анализ причин отказов, одним их основных механизмов деградации интегральных схем является поверхностная миграция ионов.'
Особый интерес с точки зрения практических приложений представляет базовая для полупроводниковой микроэлектроники система кремний-двуокись кремния. Поэтому в данной работе экспериментальные исследования в основном проводились на структурах зі-ЗіОг, изготовлениях по современной пленарной технологии.
В настоящее время большое внимание уделяется проблем"
- г -
взаимосвязи электронных и атомно-молекулярных процессов в объеме и на поверхности твердого тела. Поэтому нам представлялось актуальным попытаться изыскать возмоіности управления процессом поверхностной миграции ионов путем электронного возбуїдения системы диэлектрик-полупроводник (ДП) и металл-диэлектрик-полупроводник (НДП).
исследование процессов переноса ионного заряда по поверхности диэлектрика представляет такіе существенный иктерес в свя8и с проблемами, стоящими перед биофизикой и биозлектронихоЗ. Перенос протонов по гидратированной поверхности диэлектрика происходит по сетке водородных связей, как и в биологических системах (в частности, в клеточных мембранах). Поэтому иоіно предполоїить, что выяснение механизма такого переноса помоіет глубіе понять такие' основополагающие явления, как транспорт энергии в биологических системах, протонная "накачка" в клегочниі мембранах и др.
1. Лровести экспериментальное исследование процессов
перенос а протонов по гидратированной поверхности диэлектрика и
изучить влияние инхекции электронов и дырок из полупроводника в
диэлектрический слой на поверхностнуї) миграцию ионов.
-
Изучить возмоіность спектральной сенсибилизации миграции ионного заряда по поверхности диэлектрика путем фотовозбуїдения адсорбированных на поверхности диэлектрического слоя молекул красителей и исследовать закономерности этого эффекта.
-
Разработать новые методы определения подвиїности ионов на поверхности диэлектрических пленок, пригодные для исследования обычных МДП-нонденсаторов и не требующие для реализации создания специальных тестовых структур.
4. Провести комплексные исследования закономерностей
установления стационарной проводимости поверхностного гидратного
покрова окисного слоя и кинетики накопления ионного заряда на
поверхности диэлектрика в различных условиях.
1. Обнаружен новый эффект - кніекционно-стимулированное ускорение миграции ионного заряда по поверхности sio2 при
фотоиніекцик злектронов из кремниевой ПОДЛОЖКИ в окисний слой.
-
Впервые реализован эффект спектральной сенсибилизации поверхностной миграции ионов адсорбированными молекулами красителей в система si-si02-M0ieKyj!u красителя во влажных средах. Изучены закономерности этого эффекта, доказана возможность ускорения ионного дрейфа в несколько раз при фотовозбуждении системы в узкой полосе поглощения молекул красителя.
-
Впервые реализованы комплексные одновременные измерения кинетики протекания поверхностного ионного тока и расширения заряхонных областей на поверхности Si-Si02. На основании этих измерений выяснена роль "классического" и прототропного механизмов переноса протонов по гидратированной поверхности.
4. Предложены и реализованы новые методы измерения
поверхностной подвижности ионов в системе полупроводник-
диэлектрик, основанные на изучении _ кинетики релаксации
высокочастотной емкости НДП-структуры в режиме сильной инверсии
после включения и выключения напряжения между металлический
электродом и полупроводниковой подложкой.
1. Новые методы определения подвижности ионов на поверхности
диэлектрических пленок, применимые для исследования НДП-структур
любых типов.
2. Новые данные о возможности управления процессом
поверхностной миграции ионов с помощью инжекции свободных
носителей заряда из проводящей подложки в диэлектрическую лленку..
-
Новую информацию о возможности споктральной сенсибилизации эффекта поверхностной миграции ионов при фотсвозбуядении адсорбированных на поверхности диэлектрика молекул красителей.
-
Развитые в работе представления о механизмах процесса переноса протонов по гидратированной поверхности диэлектрика:, протекание протонных токов по одномерным цепочкам Бзрна'ла-Фаулера и заряжение поверхности диэлектрика за счет "классического" ионного нассопереноса.
Разработанные методы определения поверхностной миграционной нестабильности НДП-структур могут быть использованы на предприн-
тиях электронной промышленности для экспресс-анализа качества продукции.
Обнаруженные эффекты сенсибилизации поверхностной ионной миграции могут оказаться полезными при разработке газовых сенсоров нового типа.
Полученные экспериментальные результаты можно использовать для прогнозировании ионно-дрейфовой нестабильности микросхем в различных режимах функционирования аппаратуры.
АПРОБАЦИЯ. Основные результаты диссертации докладывались на Ш Всесоюзной конференции "Физика окисних пленок" (Петрозаводск, 1991г.) и на Московском общегородском семинаре по физике поверхности полупроводников (Москва, 1991 и 1992 гг.).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Она содержит 125 страниц текста, 80 рисунков, две таблицы и список литературы из 136 названий.
