Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Понятие «туннельная МОП структура» 12
1.1.1. Определение и характерные параметры 12
1.1.2. Распределение напряжения в туннельной МОП структуре 14
1.2. Современные тенденции скейлинга в микроэлектронике 15
1.3. Основные свойства МОП структур с толщиной окисла менее 3 нм 19
1.3.1. Режим аккумуляции 19
1.3.2. Режим обеднения/инверсии в структурах на подложке n-Si 21
1.3.3. Режим обеднения/инверсии в структурах на подложке p-Si 26
1.3.4. Электролюминесценция 28
1.4. Обзор применений туннельных МОП структур 29
1.4.1. Полевой транзистор (MOSFET) 30
1.4.2. Биполярный оже-транзистор с туннельным МОП эмиттером 32
1.5. Проблема неоднородности толщины диэлектрика в литературе 34
1.5.1. Качественное описание влияния неоднородности 34
1.5.2. Происхождение неоднородности толщины диэлектрика 38
Заключение к Главе 1 40
Глава 2. Модель протекания тока в туннельной МОП структуре, учитывающая статистический разброс толщины диэлектрика 42
2.1. Параметризация неоднородного слоя окисла 42
2.1.1. Плотность распределения толщины диэлектрика 42
2.1.2. Характерный пространственный масштаб неоднородности 43
2.1.3. Простая модель неоднородного по толщине окисла 46
2.2. Локальные модели туннельной МОП структуры 48
2.2.1. Расчет ВАХ при прямом смещении 49
2.2.2. Расчет ВАХ при обратном смещении (подложка п-типа) 50
2.2.3. Расчет ВАХ при обратном смещении (подложка р-типа) 52
2.3. Ток и его дисперсия в туннельных МОП структурах 54
2.3.1. Средняя плотность тока через прибор 55
2.3.2. Технические детали расчета дисперсии тока 57
2.3.3. Дисперсия тока как функция размера прибора: обсуждение 61
2.3.4. Оценка масштаба пространственной неоднородности толщины на основе данных по дисперсии тока 64
2.4. Моделирование вольтамперных характеристик 65
2.4.1. Структуры большой площади. Эффективная толщина 65
2.4.2. Структуры малой площади. Статистическое описание ВАХ 69
Заключение к Главе 2 71
Глава 3. Электрические характеристики туннельных МОП структур большой площади с пространственно-неоднородной толщиной окисла 72
3.1. Сведения об изготовлении исследуемых образцов .72
3.2. Измерения вольтамперных характеристик 74
3.2.1. Экспериментальная установка. 74
3.2.2. Методика записи ВАХ. Интерфейс измерительной системы 75
3.3. Особенности ВАХ в режиме аккумуляции, связанные с дисперсией толщины Si02 77
3.4. Особенности ВАХ в модели обеднения, связанные с дисперсией толщины Si02 79
3.5. Интегральный баланс токов в режиме обеднения/инверсии 81
3.6. Влияние дисперсии толщины БіОг на поведение МОП структур Al/Si02/p-Si в режиме инверсии 82
3.6.1. Форма вольтамперных кривых 82
3.6.2. Положение квазиуровня Ферми для электронов в инверсном слое 85
3.6.3. Особенности, связанные с резонансным переносом электронов 86
3.7. Влияние дисперсии толщины Si02 на поведение МОП структур Al/Si02/n-Si в режиме инверсии 88
3.7.1. Форма вольтамперных кривых 89
3.7.2. Параметры переключения. Коэффициент инжекции МОП эмиттера 92
3.8. Оценка и учет параметров разброса толщины диэлектрика 94
3.8.1. Экспериментальное определение средней толщины окисла и дисперсии толщины 94
3.8.2. Учет неоднородности толщины Si02 при метрологических измерениях с использованием туннельных МОП структур 98
Заключение к Главе 3 100
Глава 4. Исследования деградации и пробоя МОП структур с туннельно-тонким слоем окисла 101
4.1. Процедуры испытаний туннельных МОП структур 102
4.2. Ток в туннельной МОП структуре в режиме обогащения после мягкого пробоя 103
4.3. Особенности поведения би стабильных туннельных МОП структур после повреждения диэлектрика 107
4.3.1. Трансформация S-образной В АХ при повреждении Si02 107
4.3.2. Модель мягкого пробоя туннельной МОП структуры при обратном смещении 109
4.4. Изменения характеристик транзистора с туннельным МОП эмиттером вследствие деградации и пробоя окисла 112
4.4.1. Деформация выходных характеристик 112
4.4.2. Снижение малосигнального коэффициента усиления 115
Заключение к Главе 4 116
Глава 5. Оптические характеристики туннельных МОП структур с неоднородно распределенной толщиной диэлектрика 118
5.1. Люминесценция туннельной МОП структуры при наличии дисперсии толщины окисла 118
5.2. Измерения: описание спектрометра и процесса получения спектров 120
5.3. Спектры электролюминесценции и их трансформация при повреждении диэлектрика 121
5.3.1. Общие тенденции 121
5.3.2. Проявления эффекта неоднородности толщины 123
5.4. Эволюция интенсивности свечения на фиксированной длине волны 127
5.4.1. Возможные варианты эволюции интенсивности 128
5.4.2. Мониторинг интенсивности как инструмент исследования мягкого пробоя , 129
Заключение к Главе 5 131
Заключение 133
Список публикаций по теме диссертации 138
Список цитируемой литературы 141
- Режим обеднения/инверсии в структурах на подложке n-Si
- Характерный пространственный масштаб неоднородности
- Параметры переключения. Коэффициент инжекции МОП эмиттера
- Ток в туннельной МОП структуре в режиме обогащения после мягкого пробоя
Введение к работе
Предметом исследования в настоящей работе являются туннельные МОП (МОП = Металл-Оксид-Полупроводник) структуры Al/SiOa/Si, обладающие существенной неоднородностью распределения толщины слоя диоксида кремния по площади.
МОП структура называется «туннельной», если между металлическим электродом и полупроводниковой подложкой возможен перенос заряда посредством прямого квантовомеханического туннелирования через диэлектрик. Ток данной природы становится заметным по величине, когда средняя толщина окисла составляет менее 3-4 нм. Наличие туннельной утечки обусловливает - в режиме обратного смещения -перераспределение структурой напряжения для достижения баланса токов неосновных носителей. Данное обстоятельство приводит к тому, что смещение на диэлектрике туннельных структур оказывается меньше, чем можно было бы ожидать, применяя модели МОП структур с непроницаемым диэлектриком [1].
Любая пленка диэлектрика характеризуется номинальной толщиной dn, среднеквадратичным отклонением толщины ст^ а также пространственным масштабом неоднородности толщины X. Значение последнего интересно само по себе, а также в сравнении с линейными размерами изготавливаемых приборов L.
Актуальность темы
Процесс миниатюризации полевых МОП транзисторов (MOSFET) предполагает использование все более тонких слоев диоксида кремния в качестве подзатворного диэлектрика [2]. Сравнительно недавно была установлена возможность использования туннельно-тонкого слоя Si02 в затворной секции [3] (ранее она исключалась, поскольку наличие туннельного тока считалось непреодолимым препятствием). В настоящее время номинальная толщина окисла dn в промышленно выпускаемых MOSFET составляет менее 3 нм, и поэтому МОП структуры с 1-3 нанометровым слоем диоксида кремния стали предметом особого интереса.
Ввиду сильной зависимости плотности туннельного тока от толщины диэлектрика, влияние неоднородности толщины пленки Si02 на характеристики приборов резко усиливается по мере снижения номинальной толщины dn. В ежегодно публикуемых прогнозах развития электронной промышленности ITRS (International Technology
Roadmap for Semiconductors) сформулированы весьма жесткие требования к статистическому разбросу толщины SiCh: его полуширина не должна превышать 4% от значения dn [2].
Несмотря на важность проблемы неоднородности толщины, исследования в этом направлении ограничивались, в основном, чисто технологической стороной, то есть задачей снижения величины а в изготавливаемых образцах. Целенаправленного анализа характера и степени влияния дисперсии толщины на различные характеристики туннельных МОП структур не проводилось, хотя такой, анализ представляет значительный интерес.
Цель работы
Главной целью данной работы является исследование электрофизических и оптических свойств туннельных МОП структур Al/Si02/Si, обладающих пространственной неоднородностью толщины диоксида кремния. В рамках данной работы решались следующие задачи:
Разработка статистической модели для расчета дисперсии средней (по площади структуры) плотности тока при заданной величине отношения размеров прибора к характерному масштабу пространственной неоднородности толщины БЮг.
Развитие методики экспериментального определения (с использованием зависимостей п. 1) характерного масштаба неоднородностей диэлектрической пленки X.
Анализ особенностей протекания тока в туннельных МОП структурах Al/Si02/Si большой площади (L » X) при прямом и обратном смещениях, в частности, изучение влияния статистического разброса толщины Si02 на параметры S-образных вольтамперных характеристик (ВАХ) бистабильных структур АІ/БіОг/п-Si.
Экспериментальное определение параметров статистического разброса толщины диэлектрика на основе обработки вольтамперных характеристик структур большой площади.
Анализ особенностей спектров люминесценции туннельных МОП структур при наличии флуктуации толщины пленки диоксида кремния.
Рассмотрение вызываемых электрической перегрузкой образцов количественных и качественных изменений электрофизических характеристик структур Al/SiCVSi, обладающих пространственно-неоднородным слоем SiC>2.
Разработка и апробация метода диагностики повреждения диэлектрика на основе анализа характеристик люминесценции туннельной МОП структуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Помимо среднего (номинального) значения dn и дисперсии а\ толщины, для
описания слоя Si02 должен быть введен еще один параметр - характерный пространственный масштаб неоднородности толщины окисла Я. Величину X можно определить как максимальное расстояние между двумя точками, локальные толщины которых еще нельзя рассматривать как независимые (то есть между ними есть корреляция).
Если линейный размер туннельной МОП структуры L (L ~ S , где S - площадь) сравним с параметром X или меньше него, то следует говорить не о конкретной ВАХ, а об ансамбле ВАХ, реализующихся с большей или меньшей вероятностью. С помощью модели неоднородного по толщине окисла могут быть рассчитаны зависимости среднеквадратичного отклонения ays средней по площади структуры плотности тока I/S при заданном напряжении от отношения L/X, а также функции плотности распределения величины IIS. По мере увеличения отношения LIX, статистический разброс величины IIS уменьшается, а плотность распределения IIS в пределе L » X стремится к 8-функции. Это соответствует случаю больших структур, ток в которых не испытывает флуктуации и практически всегда равен своему среднему значению.
Величина характерного масштаба пространственной неоднородности X может быть оценена экспериментально. Для этой цели, располагая статистическим ансамблем измеренных ВАХ туннельных МОП структур, следует определить значение ays для некоторого напряжения V. Если известны параметры dn и a
X находится с помощью теоретической зависимости aI/s = aI/s (L і Ц^у В приборах большой площади (L » А) влияние неоднородности окисла на прямую ветвь ВАХ достаточно тривиально и сводится, в основном, к увеличению тока / по сравнению со случаем однородного слоя Si02 той же номинальной
толщины (при ad Ф 0 диэлектрик становится эффективно тоньше). Однако, помимо роста I, несколько искажается форма характеристик, что можно использовать для экспериментального определения параметра o"d-
При обратном смещении приборов большой площади наличие дисперсии толщины диэлектрика приводит к перераспределению напряжения в структуре (по сравнению со случаем о^ = 0). В бистабильных структурах Al/Si02/n-Si при этом происходит сдвиг напряжений переключения и удержания в сторону больших значений, связанный со снижением коэффициента инжекции туннельного МОП эмиттера при уменьшении эффективной толщины Si02. В приборах Al/Si02/p-Si на сильнолегированной подложке происходит размытие особенностей ВАХ, связанных с активацией туннельного переноса между валентной зоной и зоной проводимости кремния и резонансным переносом электронов.
Мягкий пробой туннельных МОП структур с пространственно-неоднородным слоем Si02 может сопровождаться заметным уменьшением тока в диапазоне относительно высоких напряжений смещения.
Повреждение окисла при электрической перегрузке обратно-смещенных структур Al/Si02/n-Si сопровождается расширением области отрицательного дифференциального сопротивления. Деградация диэлектрика может привести к срыву включенного состояния и потере структурой бистабильности. Коэффициент инжекции туннельного МОП эмиттера при этом снижается.
Мониторинг интенсивности люминесценции туннельной МОП структуры на фиксированной длине волны может служить инструментом для диагностики повреждения пленки диоксида кремния. Данный метод представляет интерес при измерениях на относительно высоких напряжениях при наличии пространственной неоднородности толщины окисла. Именно в этих условиях наблюдается спад тока при мягком пробое.
Апробация работы
Основные результаты настоящей работы докладывались на следующих международных конференциях: European Material Research Society Spring Meeting (E-MRS'99), Strasbourg, France (1999); Conferencia de Dispositivos Electronicos (CDE'99), Madrid, Espafia (1999); 11th conference on INsulating Films On Semiconductors (INFOS'99), Kloster Banz, Germany (1999); 8th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, Russia (2000); IЗёте Journee Nanotechnologie, Paris, France (2003).
Предложенные в работе методики исследования туннельных МОП структур с неоднородно распределенной толщиной окисла были опробованы в рамках Программы Летней Интернатуры в компании Samsung (Samsung Summer Internship Program - 2005). Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались также на семинарах Лаборатории Мощных Полупроводниковых Приборов ФТИ РАН.
По материалам диссертационной работы была опубликована 21 научная работа, список которых приведен после Заключения.
Работа выполнена в Лаборатории Мощных Полупроводниковых Приборов ФТИ РАН.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав (первая представляет собой литературный обзор), заключения и списка литературы. Общий объем составляет 147 страниц, включая 63 рисунка и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 135 наименований.
Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту.
В Главе 1 дано определение туннельной МОП структуры и перечислены важнейшие известные из литературы свойства системы Al/(c/n<3HM)Si02/Si. Проведен обзор имеющихся публикаций, в которых затрагивается проблема влияния неоднородности толщины Si02 на характеристики МОП структур и MOSFET с туннельно-тонким диэлектриком. Обсуждены также технологические предпосылки возникновения статистического разброса толщины.
Режим обеднения/инверсии в структурах на подложке n-Si
Важнейшим вопросом физики МОП структур является вопрос о распределении приложенного напряжения между слоем диэлектрика и полупроводниковой подложкой. Это распределение определяет вид зонной диаграммы. Ее расчет для туннельной МОП структуры (как и для нетуннельной) в режиме аккумуляции сводится к рассмотрению электростатической задачи, в то время как для режима инверсии/обеднения требуется решение уравнения баланса, из которого находятся концентрация неосновных носителей на границе раздела Si02/Si и напряжение на окисле (см. раздел 1.3). Наличие туннельной утечки приводит к тому, что напряжение на диэлектрике туннельных МОП структур меньше, чем можно было бы ожидать, применяя модели МОП структур без учета переноса заряда [4,12].
На Рис 1.3 представлены зависимости напряжения на окисле U от напряжения на клеммах прибора V, рассчитанные для структур Al/Si02/n-Si при обратном смещении. Здесь и далее мы полагаем, что смещение V подается на металлический электрод относительно кремниевой подложки, то есть большое V О соответствует аккумуляции структур на n-Si; напряжение U считается всегда положительным (а его знак учитывается при записи уравнений Кирхгофа).
При больших dn величина U соизмерима с \V - У$\, где напряжение плоских зон Vn, -составляет -0.14 В. Структуры же с туннельно-тонким окислом ведут себя иначе. Так, в случае da = 2.5 нм основная часть напряжения приходится на Si02 только в области \V\ 1.5 В, пока туннелирование слабое, а при \V\ 1.5 В происходит перераспределение напряжения. Для еще меньшей толщины (dn = 2.0 нм) туннельная утечка велика даже при низких \V\, концентрация носителей в инверсном слое мала и изгиб зон полупроводника практически равен смещению на клеммах прибора.
Из сравнения кривых U(V) для dn = 2.5 и 3.0 нм следует, что даже небольшое изменение dn (20%) значительньм образом меняет зонную диаграмму. Поэтому можно ожидать, что распределения напряжений в структурах с однородным и неоднородным слоем окисла (при одинаковом d„) будут заметно отличаться - в первую очередь при обратном смещении. Такое перераспределение напряжения из-за флуктуации толщины SiCb характерно именно для туннельных МОП структур.
Миниатюризация основных элементов ИС - полевых транзисторов, - необходимая для достижения возможно большей степени интеграции, не сводится только к уменьшению их планарных размеров. Процесс миниатюризации происходит согласно определенным схемам, когда целый ряд параметров прибора подвергается масштабному изменению в определенное число раз - в то же, что и линейные размеры прибора. Такое масштабное изменение называется скейлингом. Скейлинг может затрагивать длину канала, уровень легирования подложки, толщину подзатворного окисла и некоторые другие величины. В данном параграфе мы рассмотрим основные особенности миниатюризации приборов, а также причины, вызывающие необходимость уменьшения толщины SiC .
Уменьшение линейных размеров полевого транзистора может привести к ситуации, когда эффективная длина канала ZE окажется сравнимой с шириной области пространственного заряда (ОПЗ) обратно-смещенных р-п переходов стока/истока (соответственно, WD и Ws) или с глубиной имплантации Х-} (Рис. 1.4). Это приведет к возникновению в транзисторе ряда паразитных эффектов, называемых короткоканальными, которые искажают выходные характеристики [1,4,13,14]. В частности, значительно усиливается влияние обедненных областей на перенос заряда от истока к стоку. Однако, для стабильного переключения прибора между включенным и выключенным логическими состояниями необходимо, чтобы канал управлялся напряжением затвора VQ, а не напряжением обедненных областей. Снижение толщины dn приводит к усилению локализации неосновных носителей в инверсном слое (при том же VG) И повышению контролируемости канала напряжением затвора [5]. Поэтому необходимой составляющей миниатюризации MOSFET является масштабное уменьшение толщины подзатворного окисла.
Есть и еще одно обстоятельство, мотивирующее утоньшение используемого слоя диэлектрика. Параллельно с уменьшением линейных размеров приборов уменьшается также и рабочее напряжение интегральных схем - в первую очередь с целью снижения энергопотребления. Уменьшение напряжения затвора означает снижение заряда в канале полевого транзистора и, как следствие, снижение тока стока. Эта проблема может быть преодолена путем уменьшения величины dn, что увеличивает емкость затвора и позволяет при меньшем значении VQ создать тот же заряд и тот же ток. Изложенные выше соображения лежат в основе одного из распространенных подходов к миниатюризации полевого транзистора, называемого скеилингом при постоянном электрическом поле (Constant Electric Field Scaling), предложенным Деннардом еще в 1974 [15], который оставляет постоянной напряженность электрического поля в канале при уменьшении размеров прибора, что позволяет исключить эффекты короткого канала. В Таблице 1.1 показано, как изменяются параметры полевого транзистора при масштабировании размеров прибора согласно данному методу.
Характерный пространственный масштаб неоднородности
Как уже отмечалось, в туннельных МОП структурах Al/SiC /Si при подаче на металл отрицательного напряжения V (это соответствует режиму аккумуляции в случае структур Al/SiCVp-Si и инверсии в случае Al/SiCVn-Si) происходит инжекция горячих электронов из алюминия в кремний. Эти электроны могут генерировать фотоны в процессе энергетической релаксации. Излучение света туннельными МОП структурами впервые было описано в работе [32]; несмотря на относительно малую интенсивность, электролюминесценции таких структур представляет значительный интерес как источник информации о поведении горячих носителей и о деградации туннельно-тонкой пленки диоксида кремния. Этим обусловлено большое количество работ, посвященных данному явлению [33-36].
Вклад в формирование спектров люминесценции туннельных МОП структур - помимо процессов релаксации - инжектируемых носителей дают внутризонные излучательные переходы в области объемного заряда полупроводника (если таковая имеется) и излучение термализовавшихся электронов. Последние две компоненты, имея ту же природу, что свечение р-n перехода, не демонстрируют каких-либо особенностей, связанных с наличием туннельно-тонкого диэлектрика. При этом наличие излучения термализовавшихся электронов не осложняет интерпретации спектров, так как оно дает вклад только в виде двух пиков - вблизи квТ и вблизи Е% (в случае подложки p-Si) [36]. Чтобы минимизировать влияние поля в Si выбираются такие образцы/режимы, в которых средняя длина свободного пробега горячих электронов значительно превышает размер области локализации поля (см. раздел 5.1). Удобнее всего работать со структурами на р-Si; в этом случае можно считать, что энергия электронов определяется только напряжением на клеммах структуры: Е = q\V\ - Eg + дФр q\V\ - Ея. Видно, что Е не зависит от толщины БіОг. Однако, варьируя dn, можно изменять величину туннельного тока j, а значит, и вводимую в структуру мощность. Если локальная толщина окисла d варьируется от точки к точке, то интенсивность излучения будет разной для разных локальных областей, характеризующихся своим значением d.
Излучательному электронному переходу, как правило, предшествует испускание некоторого числа фононов (с энергией Нщ — 0.063 эВ). Испускание фотонов возможно за счет как внутризонных (IntraBand - IB) [37], так и рекомбинационных электронных переходов (Radiative Recombination - RR), причем рекомбинация дает наиболее коротковолновое излучение. Энергия «рекомбинационных» фотонов лежит приблизительно в пределах йсо = [Eg...E + Eg], с учетом того, что дырки в валентной зоне реально имеются только вблизи ее максимума. Внутризонные излучательные переходы могут быть прямыми и непрямыми. В первом случае энергия испускаемых световых квантов лежит в диапазоне [О...Е цг(Е)], где величина Еаи(Е) находится из зонной структуры кремния [37], а во втором - в пределах [0...Е].
Как было показано в разделе 1.2, общие тенденции миниатюризации приборов современной кремниевой электроники приводят к неизбежному уменьшению толщины диэлектрика МОП структур. Благодаря этому уменьшению, приборы (например, MOSFET), принцип действия которых не основан на использовании именно туннельно-тонкого Si02, приобрели ряд свойств, связанных с туннелированием носителей через окисел. Из таких приборов наиболее распространенным является полевой транзистор, для которого туннельная утечка из канала в затвор является паразитным эффектом. В параграфе 1.4.1 будут описаны современные тенденции развития архитектуры MOSFET, направленные, в первую очередь, на подавление эффектов короткого канала и туннельного тока затвора. С другой стороны, существует прибор, функционирование которого как раз предполагает использование эффекта туннелирования через слой Si02 -биполярный оже-транзистор с туннельным МОП эмиттером. Речь о нем пойдет в параграфе 1.4.2.
Основные тенденции миниатюризации современного MOSFET транзистора, трудности, связанные с уменьшением длины затвора до нескольких десятков нанометров, и конкретные схемы масштабного уменьшения параметров транзистора, направленные на их преодоление, обсуждались в разделе 1.2. Было отмечено, что снижение линейных размеров прибора сопровождается параллельным уменьшением толщины подзатворного диэлектрика, которая, как показывает опыт развития CMOS технологии компании Intel за последние 25 лет, пропорциональна эффективной длине канала [5], Рис. 1.5. В данной части обсуждается полевой транзистор с туннельно-прозрачным слоем Si02 О реализации MOSFET транзистора, толщина пленки Si02 которого составляет всего 1.5 нм, было сообщено в работе [3]. Транзистор имел длину затвора 90 нм, эффективную длину канала 50 нм и ширину ОПЗ переходов стока/истока 30 нм. Столь малое значение d„ - будучи на грани фундаментального предела уменьшения толщины подзатворного Si02 (см. раздел 1.2) - в случае длинного канала привело бы к протеканию значительного паразитного тока затвора IQ. Однако, как показано, в [3], при надлежащем масштабном уменьшении длины канала происходит сильное подавление туннелирования, и отношение тока затвора к току канала во включенном состоянии убывает с уменьшением длины затвора как IGIIQH L2GS
Попытки дальнейшего уменьшения толщины d„ выявили проблемы, связанные со сдвигом порогового напряжения Vj из-за статистического разброса толщины диэлектрика [38-39]. Кроме того, при IG 50-100 нм все более существенную роль начинают играть эффекты, связанные с высокой напряженностью электрического поля в канале: разогрев носителей полем, рассеяние носителей на границе раздела SiCVSi, насыщение скорости дрейфа и др. И хотя короткоканальные эффекты могут улучшать соотношение IQ/ION [39], В целом они нежелательны, так как ведут к деградации диэлектрика, искажению выходных характеристик и увеличению потребляемой мощности. Несмотря на то, что, как показал ряд работ [40-41], возможно масштабирование полевого транзистора традиционной архитектуры (bulk transistor) и далее вплоть до LQ 25 нм, требуется разработка альтернативной топологии транзистора [4].
Параметры переключения. Коэффициент инжекции МОП эмиттера
В данной части будут изложены качественные соображения о том, каким образом статистический разброс толщины диэлектрика может влиять на протекание тока в туннельной МОП структуре. Также будет проведен обзор статей, в которых описывается изменение характеристик полевых транзисторов, происходящее благодаря наличию статистического разброса толщины Si02.
Любая пленка диэлектрика характеризуется номинальной толщиной dn и среднеквадратичным отклонением толщины оа. Мы будем различать локальную толщину d (которая изменяется от точки к точке) и номинальную dn. Ввиду сильной (грубо -экспоненциальной) зависимости плотности тока от толщины слоя S1O2, значительная часть полного тока течет через участки, обладающие наименьшим значением d. На Рис. 1.14 представлена доля тока, сконцентрированного на участках с наиболее тонким Si02, как функция доли площади этих участков [55]. Зависимости рассчитаны для различных значений параметра a j в предположении, что величина d подчиняется распределению Гаусса [55] (детали вычислений и обоснование правомерности использования нормального распределения см. в Главе 2). Видно, что при относительно малом значении CTd= 0.1 нм 10"2 общего тока течет через 2-Ю"4 площади, а при Od= 0.2 нм - через 2-Ю 6, что соответствует еще более сильной локализации тока в наиболее тонких местах.
Ожидается, что наиболее тонкие участки БіОг в первую очередь будут подвержены деградации, поскольку локальная плотность тока на этих участках значительно превышает среднюю по структуре. Также можно прогнозировать, что в МОП структурах, обладающих заметной дисперсией толщины Si02, деградация диэлектрика будет сопровождаться перераспределением тока по площади структуры (анализ особенностей деградации структур с неоднородным окислом приведен в Главе 4). Поскольку интенсивность излучения туннельных МОП структур определяется величиной плотности тока, такое перераспределение может приводить к нетривиальным особенностям эволюции спектров люминесценции и интенсивности излучения на фиксированной длине волны (Глава 5).
В первом приближении, влияние неоднородности толщины SiC 2 на вольтамперные характеристики туннельных МОП структур будет выражаться в увеличении тока / через структуру (при том же напряжении) по сравнению со случаем са = 0. Как показал проведенный в [56] расчет, при cj Ф 0 происходит эффективный «сдвиг» толщины SiC 2 в сторону меньших значений, сопровождающийся ростом /; это еще раз свидетельствует о том, что полный ток определяется самыми тонкими участками (Рис. 1.14).
В параграфе 1.3.2 уже делались предположения относительно характера влияния неоднородности толщины окисла на поведение ВАХ туннельных МОП структур при обратном смещении: в случае S-образных ВАХ структур Al/SiOa/n-Si ожидается сдвиг положения точек удержания и переключения. Изменение ВАХ обратно-смещенных структур Al/Si02/p-Si будет заключаться в сдвиге напряжений активации туннелирования зона-зона и резонансного переноса, а также размытии соответствующих особенностей. Поскольку зонная диаграмма определяется балансом прихода/ухода неосновных носителей, наличие заметной дисперсии толщины будет приводить к перераспределению напряжения на структуре при обратном смещении. Анализ влияния пространственной неоднородности толщины окисла на ВАХ структур в режиме инверсии представляет значительный практический интерес (Глава 3): именно данный режим реализуется при использовании МОП структуры в качестве затвора MOSFET.
В работе [3], в связи с анализом характеристик полевого транзистора с номинальной толщиной подзатворного окисла 1.5 нм, были приведены данные измерений профиля толщины пленки диоксида кремния, полученные с помощью просвечивающего туннельного микроскопа (ТЕМ). В той же статье проводится анализ статистического разброса туннельного тока затвора IQ и порогового напряжения Vj, на основе которого оцениваются значения од. В цитируемой работе впервые констатируется, что неоднородность распределения толщины диэлектрика существенно влияет на характеристики полевого транзистора. Также в [3] сообщается, что дисперсия толщины увеличивает разброс напряжения мягкого пробоя затворной секции MOSFET - FSB-Поскольку VSB является случайной величиной, то влияние Cd Ф 0 на среднеквадратичное отклонение ) - предмет отдельного исследования.
В дальнейших работах [39,57], посвященных исследованию связанных с а Ф О флуктуации Vr, делается заключение, что в диапазоне толщин dn 1.0 нм статистический разброс толщины окисла будет столь сильно влиять на характеристики MOSFET, что дальнейший скейлинг полевого транзистора станет невозможным. Тонкую область туннельной МОП структуры, от доли площади данной области.
Несмотря на значительный прогресс кремниевой технологии, в силу причин микроскопического характера, флуктуация параметров туннельных транзисторов не может быть окончательно преодолена. Вопрос влияния статистического разброса таких технологических параметров, как концентрация примеси в канале, эффективная длина LE, толщина окисла, на выходные характеристики современных MOSFET неоднократно поднимался в литературе [58-60]. Существуют также специальные методики анализа влияния статистического разброса параметров единичных транзисторов на выходные характеристики сверхбольших ИС, в частности, на время задержки и потребляемую мощность [61-62].
В ITRS-2005 (ITRS = International Technology Roadmap for Semiconductors) сформулированы следующие требования к качеству подзатворного диэлектрика и характеристикам современных MOSFET [2]: статистический разброс За (а -среднеквадратичное отклонение) длины канала транзистора и толщины подзатворного окисла должен составлять. 10% и 4% от соответствующих номинальных величин. Столь жесткое требование, однако, представляется оправданным: например, в случае 0.18-мкм техпроцесса (Таблица 1.2), 10% флуктуация величины Vj приводит к 5% флуктуации времени задержки и 250% разбросу тока утечки, что неблагоприятно сказывается на потребляемой мощности [60].
На Рис. 1.15 (из [60]) представлен статистический разброс величины Vj для двух случаев: технологического поколения 0.18 мкм (а) и 0.13 мкм (Ь). При построении гистограмм было учтено влияние статистического разброса как толщины SiC 2 (4%), так и эффективной длины канала (10%). Видно, что определяющим фактором является неоднородность распределения величины d. Статистический разброс V-\ является более критичным в случае 0.13 мкм техпроцесса.
Ток в туннельной МОП структуре в режиме обогащения после мягкого пробоя
Формирование толстого ( 10 нм) слоя диоксида кремния путем термического окисления хорошо описывается в рамках модели Дила-Гроува (Deal-Grove [69]). Согласно данной модели, пленка SiC 2 растет за счет диффузии молекул ( к границе раздела и последующей реакции с кремнием. Кинетика роста ультратонких слоев SiC 2 существенным образом отличается от того, что предсказывает данная модель [68]. В первую очередь, остается неясным механизм формирования SiC 2 на начальном этапе термического окисления (толщина 0.1-0.5 нм). Между кристаллическим кремнием и аморфным Si02 существует переходный слой (непостоянной структуры и стехиометрического состава) [68,70-71], относительная доля которого увеличивается по мере уменьшения толщины Si02. Ширина переходного слоя может варьироваться в пределах от 0.1 вплоть до 3 нм и зависит от конкретной технологии, применяемой для выращивания пленки SiCV Проведенные исследования кинетики начальной стадии окисления кремния [72-74] пока не привели к созданию единой общепринятой модели, описывающей переходный слой.
Авторы [68] на основе MEIS измерений делают вывод, что процесс окисления кремния состоит из двух параллельно идущих в различных областях реакций: реакции роста диоксида кремния, происходящей в переходном слое, примыкающем к границе SiCVSi, и реакции обмена изотопами кислорода вблизи внешней поверхности SiCV Реакция, происходящая в переходном слое, является последующим окислением не полностью окисленного кремния, то есть недоокисей, моноксидов и кластеров Si. В данной модели реакция кислорода с кремниевой подложкой не является совершенной: она идет с образованием не до конца окисленного Si, формирующего переходный слой, в котором происходит его доокисление. Поверхностный обмен изотопами О представляется еще менее изученным, чем кинетика образования переходного слоя. Известно лишь, что при достаточно большой толщине пленки SiC 2 ( 3 нм) данный процесс происходит независимо от реакции вблизи границы SiCVSi. Однако при уменьшении толщины происходит перекрытие областей, в которых происходят данные процессы, и при dn 3 нм их нельзя рассматривать независимо.
При низких температурах и высоких давлениях взаимодействие кислорода с кремнием происходит согласно реакции: Si + О2 = SiC 2. В противоположном случае (высокая температура, низкое давление) происходит формирование монооксида кремния: 2Si + 02 = 2SiO. Эти два возможных варианта протекания реакции называют пассивным и активным окислением. Очевидно, что при термическом окислении кремния присутствуют оба этих механизма, притом варьирование температуры и/или давления ведет к изменению интенсивности того или иного процесса. Как считают авторы [68], причина возникновения шероховатостей рельефа окисла заключается в конкуренции этих двух процессов. В работе [75] показано, что в случае пассивного процесса, объемное окисление (то есть окисление, происходящее за первым сформировавшимся слоем БіОг) не может происходить до тех пор, пока вся поверхность не покрыта слоем БіОг, который не является строго стехиометрическим. Формирование данного слоя происходит согласно механизму активного окисления. При этом образуется молекула SiO и вакансия кремния на поверхности (аналогично образованию электронно-дырочной пары). При высоких температурах такая вакансия легко может диффундировать, а также «рекомбинировать» со ступеньками поверхности Si. При определенных условиях вакансии могут объединяться в кластеры, образуя двумерные террасы на поверхности.
Мы выделили два предельных случая активного и пассивного окисления. Однако при реальном процессе роста пленки S1O2 присутствуют оба механизма. На начальном этапе формирования тонкого поверхностного слоя диоксида кремния в системе Si02/Si протекают следующие процессы: образование пар молекула SiO - вакансия Si, диффузия вакансии с возможной «рекомбинацией» со ступенькой Si, последующее окисление SiO до Si02, наконец, процесс Si + О2 = Si02- Эти конкурирующие процессы приводят к образованию шероховатостей при формировании первичного поверхностного слоя Si02. Варьируя условия термического роста можно сместить равновесие в ту или другую сторону. Как уже упоминалось выше, при высоких температурах вакансии Si формируют двумерные террасы на поверхности Si. При дальнейшем росте Si02 неровности интерфейса определяются. процессами, идущими в переходном слое, который в данное время является предметом интенсивного исследования.
В работах [68,75] показано, что при высоких температурах рельеф S1O2 является более гладким: шероховатости имеют большую высоту (а значит и а) и большую характерную ширину. (Частным случаем таких шероховатостей являются двумерные террасы, формирующиеся при высоких температурах.) При более низких температурах рельеф получается более шероховатым: неровности меньше и по ширине, и по высоте.
В современной технологии при получении пленок Si02 предпринимаются специальные меры для снижения величины Оф Например, термическое окисление кремния проводится в присутствии соединений азота - NO, N02 [76-79]. Получаемый диэлектрик, строго говоря, является оксинитридом кремния (SixOyN), однако, малое количество азота (поверхностная концентрация 1014 см"2) позволяет все же считать материал диоксидом кремния. Даже столь малое количество встроенного в матрицу SiCb азота улучшает свойства интерфейса SiCVSi и подавляет проникновение бора из poly-Si затвора через/в SiC 2 в Si подложку. Слои SiC 2 выращенные путем термического окисления в атмосфере соединений азота демонстрируют малое значение с а 0.1 А [80].
В данной Главе было сформулировано определение туннельной МОП структуры. Показано, что наличие туннельной утечки носителей в такой структуре делает ее сложным квантовомеханическим объектом, обладающим рядом специфических свойств и принципиально отличающимся от «толстой» МОП структуры. Одной из наиболее распространенных МОП структур является система AI/Si02/Si (приведены ее параметры).
Анализ тенденций развития современной микроэлектроники показывает, что толщина подзатворного окисла современных MOSFET лежит в туннельном диапазоне ( 3 нм). Таким образом, затворная секция полевого транзистора представляет собой туннельную МОП структуру, что обусловливает значительный интерес к исследованиям свойств данного объекта. Проведен обзор свойств туннельной МОП структуры Al/Si02/Si. Описаны приборы на ее основе: полевой МОП транзистор и оже-транзистор с туннельным МОП эмиттером.
Ввиду сильной зависимости туннельного тока от толщины диэлектрика, особую актуальность приобретает проблема неоднородности слоя SiC 2. Смежной проблемой является наличие шероховатостей интерфейса SiCVSi. Проведен обзор публикаций, посвященных анализу влияния флуктуации толщины окисла на характеристики туннельных МОП структур и приборов на ее основе. Данное влияние весьма значительно и в случае единичных приборов, и в ИС в целом. На основании сказанного делается вывод о важности исследований свойств туннельных МОП структур с пространственно-неоднородным слоем Si02.
В конце Главе обсуждаются технологические предпосылки возникновения флуктуации толщины пленки диоксида кремния. Показано, что на данный момент проблема неоднородности толщины S1O2 не может быть окончательно преодолена, поскольку кинетика окисления кремния на начальной стадии до конца не изучена.
