Транспорт носителей в аморфных диэлектриках МДП структур с пространственными неоднородностями Личманов, Юрий Олегович

Введение к работе

Актуальность темы.

Освоенность кремниевой технологии, позволяющая достигать высокие степени интеграции и высокую надежность микроэлектронных приборов позволяет утверждать, что основным базовым элементом СБИС останутся МДП структуры на основе кремния. Возможность формировать различные аморфные диэлектрики на кремниевой подложке обеспечивает большие функциональные возможности МДП приборов.

В настоящее время получают широкое распространение электрически репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭРПЗУ) большой емкости на основе МНОП и МОНОП структур, использующие аморфный диэлектрик - нитрид кремния (НК) - в качестве запоминающей среды.

Большая степень интеграции достигнута в ЭРПЗУ на основе МОНОП структур, в которых дополнительный диэлектрический слой (окисел кремния) препятствует инжекции дырок из металла в НК, и тем значительно уменьшает деградацию таких структур. Эта структура представляет собой наиболее удобный модельный объект для изучения транспорта электронов в НК, так как он не сопровождается процессом рекомбинации электронов с дырками.

Функциональные характеристики МНОП ЭП существенно зависят от спектра локализованных состояний (ЛС) в НК. Однако до настоящего времени не было программного инструмента, позволяющего прогнозировать динамику записи и стирания информационного заряда с учетом реального спектра ЛС.

Создание программных средств для проведенния численного эксперимента при проектировании ЭП, учитывающее наличие сложного спектра ЛС в НК и его пространственную неоднородность, представляется весьма актуальным.

Другой важный аспект исследования электронных процессов в МДП структурах связан с деградационными процессами, на которые существенно влияют протяженные дефекты. Пропускание значительной плотности заряда через диэлектрические пленки приводит к их пробою. На стабильность параметров МДП структур значительно влияют протяженные дефекты вблизи границы полупроводник - диэлектрик (микродефекты). К началу работы над диссертацией адекватная теория проводимости МДП структур с микротрещиной в диэлектрике (после пробоя) отсутствовала. В этой связи весьма актуальной задачей является конкретизация влияния микродефектов на параметры потенциально - ненадежных МДП структур, в том числе исследование проводимости этих структур.

Новый, и весьма интересный аспект изучения деградационных процессов в МДП структурах на основе кремния связан с обнаруженным недавно влиянием импульсных магнитных полей (ИМП) на их электрофизические параметры, зависящим от характера пространственного распределения протяженных дефектов. Воздействие слабым ИМП приводило к долговременному изменению электрофизических параметров МДП структур и обуславливалось эволюцией состояния микродефектов ъ термодинамически неравновесных полупроводниковых структурах. Характер магнитоиндуцированных долговременных изменений (МИДИ) параметров, связанных с наличием микродефектов у межфазной границы, не был исследован. Такое исследование актуально для прогнозирования надежности МДП приборов.

Цель работы - установление закономерностей нестационарных электрических процессов в аморфных диэлектриках МДП структур в сильных полях - накопления заряда в МДП структурах с учетом пространственной неоднородности параметрої диэлектрика, протяженных дефектов у межфазной границы и в диэлектрике, а также исследование влияния импульсных магнитных полей на транспорт носителей в этих диэлектриках.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие конкретные задачи диссертационной работы:

1. Исследование методом математического моделирования процессов накопления и рассасывания заряда в МДП структурах с нитридом кремния (НК) с учетом хвостов плотности состояний, делокализации этих состояний в сильном электрическом поле и неоднородного пространственного распределения центров захвата носителей заряда.

2. Изучение влияния протяженных дефектов в МДП структурах на проводимость и деградацию МДП структур. Математического моделирования проводимости МДП структур с микротрещиной в диэлектрике.

3. Установление закономерностей магнитоиндуцированных долговременных изменений параметров МДП структур, обусловленных протяженными дефектами.

Научная новизна:

1. Результаты численного моделирования накопления заряда в МОНОП структурах впервые позволили установить характер влияния неоднородного распределения ЦЗ в НК и спектра локализованных состояний, включая делокализации состояний хвоста плотности вблизи краев зон в сильных электрических полях, на переходные процессы.

2. Впервые показано, что адекватное совпадение с экспериментальными характеристиками переходных процессов накопления заряда в МОНОП структурах достигается лишь при значительном уменьшении концентрации ЦЗ вдали от межфазных границ и на основе сопоставления с экспериментальными характеристиками оценить параметры пространственного распределения ЦЗ.

3. Численным методом впервые получено распределение поля по толщине диэлектрика по поверхности сквозной микротрещины в дефектной МДП структуре и получено выражение для ВАХ дефектных МДП структур, проводимость которых обусловлена переносом электронов по ловушкам хвоста плотности состояний на поверхности сквозной микротрещины.

4. Обнаружено, что МИДИ плотности микродефектов носит немонотонный характер, коррелирует с изменениями напряжения утечки МПД структур и связано с возникновением затухающих колебаний концентрации дефектов в системах с диффузией, связанных с процессом приповерхностной релаксации неравновесного состояния системы Si - Si0₂, обусловленной магнитоиндуцированным распадом дефектно - примесных комплексов.

Практическая ценность работы:

1. Разработан программный комплекс численного моделирования характеристик накопления заряда в нитриде кремния МОНОП структур для использования при проектировании МДП элементов памяти.

2. С помощью разработанного программного комплекса установлены значения параметров центров захвата и их неоднородного пространственного распределения в нитриде кремния.

3. Показана эффективность использования ИМП для выявления потенциально -ненадежных МДП структур.

На защиту выносятся;

4. Алгоритм численного моделирования характеристик накопления и рассасывания заряда в нитриде кремния МДП структур, позволяющий прогнозировать характеристики МДП элементов памяти.

5. Анализ результатов математического моделирования переноса, накопления и рассасывания заряда в МДП структурах с нитридом кремния (НК) с учетом хвостов плотности состояний, делокализации этих состояний в сильном электрическом поле и неоднородного пространственного распределения центров захвата носителей заряда (монополярная модель).

3.Результаты математического моделирования распределения поля по толщине диэлектрика по поверхности микротрещины и аналитические выражения ВАХ дефектных тонкопленочных МДП структур с локальной сквозной микротрещиной в диэлектрике.

4. Установление возникновения магнитоиндуцированных долговременных затухающих колебаний плотности микродефектов у границы раздела Si - Si0₂.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Materials research society (MRS) Spring meeting (San Francisco 1994); ежегодном научно - техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" Москва 1994, 1996; European - MRS spring meetings (Strasburg 1994,1995); III международном семинаре по моделированию приборов и технологий (Обнинск 1994); Всероссийская научно -техническая конференция "Электроника и информатика - 95" (Москва Зеленоград МГИЭТ - 1995); 2-ой Российской конференции по физике полупроводников. Зеленогорск, март 1996; Международной школе по физике твердого тела UNESCO. Петергоф, сентябрь 1996 г, Всероссийской конференции по физике диэлектриков. Санкт - Петербург, июнь 1997, VII межнациональном совещания "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1997 г.)

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ. Структура и объем диссертации:

диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 107 страниц машинописного текста, включая _2 рисунков. Список литературы содержит 97 наименований.