Введение к работе
Актуальность темы. Тенденция развития микроэлектроники характеризуется усложнением конструкции полупроводниковых приборов, повышением степени интеграции за счет уменьшения размеров элементов ИС и повышения плотности упаковки. Эти задачи, во многом, могут быть успешно решены с помощью МДП (МОП)ИС, обладающих большими потенциальными возможностями. Однако все это приводит и к возникновению проблем, связанных с технологическими трудностями изготовления БИС, разработкой новых подходов к проектированию схем, обеспечением требуемого уровня надежности и качества изделий электронной техники. Решение этих проблем включает выявление потенциально ненадежных областей в полупроводниковых приборах и ЙС на основе измерения таких электрофизических характеристик библиотечных компонентов СБИС как плотность поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик, подвижность и время жизни носителей заряда, а также определение степени деградации этих параметров. А это, в свою очередь, требует совершенствования методов измерения.
Повышение надежности МДП ИС может быть достигнуто за счет оптимизации процесса их изготовления. Технологический процесс производства МДП БИС содержит десятки операций и в связи с этим большое значение имеют работы, связанные с исследованием закономерностей протекания физических и деградационных процессов при формировании и эксплуатации ИС, а также установления их зависимости от конструкции, технологии изготовления, вида и характера внешних, воздействующих факторов, среди которых особо важное место занимает ионизирующее излучение.
Немаловажно дальнейшее совершенствование методов тестирования, которые включают разработку новых более эффективных способов испытаний элементов МДП БИС на долговременную стабильность и тестовых структур (ТС), позволяющих получить достоверную информацию о качестве принятых решений на стадии отработки конструкции и технологии изготовления СБИС.
Таким образом, актуальным является исследование физических и деградационных процессов, протекающих в элементах ИС в период эксплуатации, определение присущих им закономерностей и разработки на этой основе конструктивно - технологических вариантов МДП-стру-кгур с требуемыми электрофизическими и надежностными характеристи-
ками.
Цель диссертационной работы. Разработка конструктивно - технологических методов создания МДП-структур с учетом закономерностей протекания физических и деградационных процессов при формировании и эксплуатации НО.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
установить характер влияния подвижных ионов примесей на изменение электрофизических характеристик МДП-транзистора ( Нот, Нгт,. и )на основе моделирования процессов их взаимодействия с дефектами в подзатворном диэлектрике и на границе полупроводник-диэлектрик;
исследовать влияние малых и больших доз облучения на процессы накопления заряда в подзатворном диэлектрике и на границе полупроводник- диэлектрик через их влияние на составляющие порогового напряжения aVot и aVxt для МДП-транзисторов с различными конструктивно-технологическими параметрами;
разработать метод определения подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора на основе тока Холла с учетом диффузионной, и дрейфовой составляющих тока стока и ТС для реализации этого метода; .
разработать новый способ стимуляции процессов деградации электрофизических характеристик элементов ЫДП БИС, основанный на поверхне иных акустических волнах (ІШ) и ТС для реализации этого метода;
разработать конструктивно-технологические рекомендации по использованию результатов исследований для повышения долговременной стабильности активных структур МДП БИС.
Научная новизна.
I.Разработана физическая модель образования электронных состояний в системе Sl-SlOa при изготовлении МДП БИС, учитывающая взаимодействие подвижных ионов примесей ( W, Cl~, Р~, F" ) с ослабленными связями, возникающими на дефектах структуры и при наличии внутренних механических напряжений, и позволяющая оценить степень влияния этих ионов на образование поверхностных состояний и заряда, захваченного в окисле;
2. Разработана физико - математическая модель деградации по-
движности носителей заряда в канале МДП-транзистора при воздействии ионизирующего излучения дозами 10*...10е рад. Установлено, что изменение подвижности связало с изменением объемного и поверхностного зарядов в режимах малой (когда количество радиапионно сгенерированных дырок и электронов намного меньше количества соответствующих ловушек) и большой (когда количество дырок и электронов намного больше количества ловушек) радиационной генерации через их влияние на составляющие порогового напряжения для МДП-транзисторов с различными конструктивно- технологическими параметрами.
-
Получено аналитическое выражение для тока Холла в канале МДП-транзистора, позволяющее определить подвижность носителей заряда в неоднородном канале, на основе разработанной физико-математической модели переноса носителей заряда в канале ИДП-транэистора в режиме больших напряжений на стоке ( Vd > ЗВ ), учитывающей наряду с диффузионной, дрейфовую составляющую тока стока.
-
Проведены экспериментальные исследования МДП-транзисторов с разделенными истоками и различными дозами имплантации фосфора Р (500; 1000; 1500 мКл/см2) в поликремний и последующим его проникновением в подзатворный диэлектрик и без имплантации Р. Выявлено, что введение Р увеличивает заряд в окисле и заряд поверхностных состояний, но, тем не менее, способствует уменьшению деградации подвижности носителей заряда в процессе испытаний в условиях ияжекции горячих носителей за счет большей энергии связи атомов Р с атомами 0 и Si.
-
Обоснован механизм и разработан новый способ стимуляции процессов деградации в элементах ИС, основанный на пропускании ПАВ в полупроводниковом кристалле, приводящих к созданию внутренних механических напряжений, которые способствуют увеличению дефектности материала и, следовательно, влияют на изменение электрофизических характеристик, и позволяющий сократить ( в 6...9 раз ) время испытаний ИС и их элементов.
Практическая значимость работы.
I. Разработан метод определения подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора на основе измерения тока Холла, позволяющий оценить степень деградации подвижности в
процессе работы МДП-транзистора.
-
Установлена зависимость подвижности носителей заряда от объемной и поверхностной составляющих порогового напряжения при малой и большой радиационной генерации, позволяющая оптимизировать конструкцию ( толщину подзатворного диэлектрика ) и технологический процесс изготовления МДП-транзисторов с целью получения заданных электрофизических характеристик ( Kit, у ).
-
Разработанные рекомендации по изготовлению подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, включающие легирование его ионами Р дозами 500-1500 /іКл/см2из фосфоросиликагного стекла при t=850C до получения поверхностного сопротивления 30 Ом/о позволяют повысить долговременную стабильность порогового напряжения и подвижности носителей -заряда за счет насыщения оборванных связей кремния на границе Sl-SiOa и.большей энергии связи Р с Si и 0.
-
Разработанные ТС и способ испытаний элементов ИС позволяют сократить время испытаний (в 6-9 раз ) за счет стимулирования в этих элементах деградационных процессов путем наведения ПАВ в полупроводниковом кристалле.
-
Основные результаты диссертационной работы использовались при выполнении трех НИР в МРГИ (г.Минск) и четырех НИР в ПЛИ (г.Пенза). Практическая .ценность полученных в диссертационной работе результатов, подтверждается актами внедрения. Экономический эффект "уг внедрения составил 420. тыс. руб. . в ценах 1992г. Научно-методические результаты диссертационной работы, изложенные в коллективных работах ГЗ, ІЗ, 17], внедрены в учебный процесс ПЛИ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Физическая модель образования поверхностных состояний ва границе Si-SlOz и заряда в окисле с учетом влияния подвижных ионов Ш~, С1~, F~, Р") подзатворного диэлектрика при изготовлении МДП-транзисторов.
-
Физико - математическая модель деградации подвижности носителей заряда в канале МДП-транзистора при воздействии ионизирующего излучения дозами 10*...10е рад, основанная на изменении объемной и поверхностной составляющих порогового напряжения, и результаты исследования таких транзисторов при наличии электрического поля в канале (Vd=0...5 В).
3. Аналитическое выражение для тока Холла в канале
МДП-транзистора с разделенными истоками, позволяющее определить
подвижность носителей заряда в неоднородном канале
КЩ-транзистора.
4. Разработанный способ ускоренных испытаний элементов ИС,
основанный на пропускании ПАВ в полупроводниковом кристалле, и ТС
для его реализации.
5. Результаты экспериментального исследования влияния
ионизирующего излучения дозами 10*-10" рад и имплантации фосфора
дозами 500-1500 ^Кл/см2 на изменение порогового напряжения,
подвижности, заряда поверхностных состояний и заряда, захваченного
в окисле.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всесоюзной НТК "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники", Ленинград, 1989 г., на республиканской НТК "Методы оценки и повышения надежности РЭА", Пенза, 1990 г., на VI республиканской НТК "Физические проблемы МДП - интегральной электроники", Севастополь, 1990 г., на республиканской НТК "Надежность и контроль качества изделий электронной техники", Севастополь, 1990 г., на I Всесоюзной НТК "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах", Ялта, Г990 г., на Российской НТК "Йетодн оценки и повышения надежности радиоэлектронных средств", Пенза, 1991 г., на III Всесоюзной НТК "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов", Кишинев, 1991 г., на республиканской НТК "Надежность и контроль качества изделий электронной техники", Севастополь, 1991 г., на международной конференции "Микроэлектроиика-92", Варшава, 1992 г.
Публикации. По результатам выполненных Исследований опубико-вано 19 печатных работ, в том числе 5 статей, тезисы 7 докладов , 7 научно-технических отчетов.
Структура и объем диссертации. диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 188 страницах, в т.ч. 116 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц, список литературы на 16 страницах, включающий в себя 141 наименование, и 13 страниц
.7
приложении.
