Исследования зарядовых процессов в инжекционно модифицированных структурах и разработка приборов на их основе
На правах рукописи
Ткаченко Алексей Леонидович
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАРЯДОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ИНЖЕКЦИОННО МОДИФИЦИРОВАННЫХ СТРУКТУРАХ И РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ
НА ИХ ОСНОВЕ
Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2007
Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный
технический университет им. Н.Э.Баумана» (Калужский филиал)
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Столяров Александр Алексеевич
Официальные оппоненты - доктор технических наук
Прасицкий Василий Витальевич
кандидат физико-математических наук Никифоров Дмитрий Константинович
Ведущая организация - ОАО «Протон» г. Орел
Защита состоится «10» октября 2007г. в 14 ч. 30 мин.
на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском
государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана
по адресу: 248600, Калуга, ул. Баженова, 2,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал
(г. Калуга, ул. Баженова, 2)
Автореферат разослан «____»____________2007г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета
кандидат технических наук, доцент Лоскутов С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), на основе термической пленки двуокиси кремния SiO2 в качестве подзатворного диэлектрика, лежат в основе конструкции большого числа современных устройств микроэлектроники и в то же время сами являются объектами физических исследований при изучении механизмов электронных процессов, протекающих в приповерхностных слоях и границах раздела. Одной из задач современной микро- и наноэлектроники является создание полупроводниковых приборов, параметрами которых можно управлять после их изготовления, что может быть достигнуто с использованием диэлектрических пленок, реализующих новые способы модификации их характеристик. В качестве таких диэлектрических пленок можно использовать многослойный диэлектрик на основе термической двуокиси кремния, пассивированной слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС). Применение данного диэлектрика, с одной стороны, позволит использовать на начальном этапе стандартный технологический процесс, а с другой стороны, уже имеющиеся данные о зарядовых процессах, происходящих в данных слоях в сильных электрических полях.
Проведенные исследования показали, что наличие инжекционно стимулированной термостабильной компоненты заряда, полученной в МДП-структурах на основе двухслойного диэлектрика SiO2-ФСС при помощи сильнополевой туннельной инжекции электронов, позволяет изменять в широком диапазоне зарядовое состояние МДП-структур и сохранять его длительное время. Поэтому, большое как научное, так и практическое значение имеют исследования процессов в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей, и разработка новых способов изготовления и методов инжекционной модификации характеристик МДП-структур. Как показали исследования инжекционных процессов в МДП-структурах с многослойными диэлектрическими слоями, на зарядовое состояние МДП-структур после проведения инжекции существенное влияние оказывают режимы инжекции электронов в диэлектрические слои. В частности важными вопросами при практическом применении инжекционной модификации являются выбор диапазонов плотностей токов, напряженностей электрических полей, плотностей инжектированных зарядов и режимов термических отжигов.
В связи с этим актуальной является разработка метода инжекционной модификации на базе исследований процессов накопления и стекания зарядов в инжекционно модифицированных МДП-структурах, ориентированного на использование в массовом производстве полевых приборов и интегральных схем.
Цель работы: установление закономерностей процессов накопления и стекания отрицательного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al в условиях сильнополевых воздействий, разработка приборов на их основе и метода инжекционной модификации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать процессы инжекционной модификации и механизмы стекания заряда в инжекционно модифицированных МДП-структурах;
- изучить возможность модификации МДП-структур электронным облучением и влияние этого облучения на инжекционно стимулированный заряд МДП-структур;
- разработать конструкцию и способ изготовления МДП-транзистора на основе инжекционно модифицированных МДП-структур с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией.
Научная новизна.
- Впервые установлены зависимости стекания инжекционно стимулированного отрицательного заряда в диапазоне температур от 20 до 250 °С, накапливающегося в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al в результате сильнополевой инжекции электронов из кремния в диэлектрик.
- Разработан метод получения термостабильной компоненты инжекционно стимулированного отрицательного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al при туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в диэлектрик в сильных электрических полях и их последующем отжиге.
- Определены особенности влияния электронного облучения на термостабильную компоненту заряда инжекционно модифицированных МДП-структур.
- На основе моделирования проведена оценка влияния локальных неоднородностей МДП-структур на процессы, протекающие при инжекционной модификации. Установлены допустимые границы параметров локальных неоднородностей МДП-структур.
Практическая ценность работы.
- Предложен производственный метод модификации электрофизических характеристик МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, основанный на туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в диэлектрик в сильных электрических полях.
- Разработан способ изготовления МДП-приборов с параметрами управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией. Применение разработанного способа позволяет проводить индивидуальную подгонку порогового напряжения каждого конкретного прибора.
- Разработана конструкция МДП-транзистора на основе инжекционно модифицированных слоев Si-SiO2-ФСС-Al с параметрами, управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией.
- Разработана конструкция низковольтного слаботочного стабилитрона на основе инжекционно модифицированного МДП-транзистора, с изменяемым напряжением стабилизации в диапазоне 13,5 В, соответствующего требованиям ТВО 205.002-15ТУ.
- Предложен метод имитационных испытаний радиационной стойкости МДП-структур на основе сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, позволяющий исключить использование электронного облучения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
- Результаты исследований зависимостей стекания отрицательного заряда в диапазоне температур от 20 до 250 °С, накапливающегося в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al при инжекционной модификации, и влияния электронного облучения на термостабильную компоненту инжекционно стимулированного заряда.
- Метод инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, основанный на выборе полевых и токовых режимов сильнополевой инжекции и плотности инжектированного заряда электронов из кремния, существенно снижающий влияние деградационных процессов, и позволяющий получать термостабильную компоненту инжекционно стимулированного заряда.
- Конструкция и способ изготовления МДП-транзистора со структурой Si-SiO2-ФСС-Al, позволяющего изменять пороговое напряжение сильнополевой туннельной инжекцией с использованием разработанного метода инжекционной модификации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: I, III Межвузовской научной школы молодых специалистов “Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине” (Москва, 2001, 2002г.); 8-ой, 10-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Зеленоград, 2001, 2003г.); 2-ой Международной конференции “Актуальные проблемы современного естествознания” (Калуга, 2000г.); 1-ой Российской конференции молодых ученых по математическому моделированию (Калуга, 2000г.); 1-ой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению (Калуга, 2001г.); Всероссийской научно-технической конференции “Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов” (Калуга, 2000, 2002, 2003, 2005г.); Региональной научно-технической конференции “Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов” (Калуга, 1996-1998, 2000, 2001, 2003г.); Тридцать четвертых чтениях посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (Калуга, 1999г.), ХIV, ХVII Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2004, 2007г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 145 страниц, включая 26 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 152 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены методы инжекции заряда в диэлектрик МДП-структур, применяемые в исследованиях зарядовых явлений. Показано, что наиболее информативным, и в тоже время отличающимся простотой реализации, является метод сильнополевой туннельной инжекции по Фаулеру-Нордгейму.
Проведен анализ современного состояния изучения зарядовых явлений в диэлектрических слоях МДП-структур. Несмотря на то, что в настоящее время доминирующее положение в современной электронной промышленности занимают МДП-приборы на основе структур Si-SiO2-металл, природа зарядовой нестабильности и электронных процессов, происходящих в МДП-структурах, в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей, не получила своего полного объяснения, и ее изучение находится в постоянном развитии.
В настоящее время интенсивно развиваются методы модификации МДП-структур, использующие радиационные, ионно-плазменные и сильнополевые воздействия. Перспективным, прежде всего с точки зрения возможности применения в современном технологическом процессе, представляется метод инжекционной модификации МДП-структур, основанный на изменении зарядового состояния многослойного диэлектрика на основе SiO2-ФСС, содержащего электронные ловушки, сильнополевой туннельной инжекцией электронов.
Имеющиеся экспериментальные и теоретические данные по изменению зарядового состояния МДП-структур на основе слоев SiO2-ФСС относятся к структурам, имеющим различные параметры и полученным в разных технологических процессах, что не позволяет использовать в полной мере имеющиеся результаты для проведения инжекционной модификации в условиях конкретного производства. Поэтому возникает необходимость разработки метода инжекционной модификации, ориентированного на определенный технологический процесс и конкретные параметры многослойных диэлектрических слоев и полевых приборов на их основе.
Результаты проведенных исследований влияния радиационных и термополевых воздействий на характеристики МДП-структур указывают на перспективность применения термического отжига инжекционно модифицированных МДП-структур и приборов на их основе для увеличения их термополевой стабильности и ставит задачу определения возможности применения электронного облучения для заполнения электронных ловушек в многослойных диэлектрических слоях SiO2-ФСС.
На основе проведенного анализа были определены основные цели и задачи работы.
Во второй главе описаны применяемые в диссертационной работе методы исследования и модификации МДП-структур. Одним из эффективных методов исследования зарядовых процессов в МДП-структурах является метод сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик постоянным током. Для определения параметров МДП-структур часто используется метод постоянного тока, основанный на измерении характеристик в процессе инжекции. Применение для инжекционной модификации МДП-структур, данного метода представляется наиболее перспективным, так как позволяет проводить измерение зарядовых параметров МДП-структур и инжекцию заряда в диэлектрик в рамках одного метода.
Показано, что для проведения инжекционной модификации МДП-структур при отработке технологии инжекционной модификации предпочтительно использовать классический метод постоянного тока, отличающийся простотой реализации и позволяющий контролировать в процессе инжекции заряда в диэлектрик как плотность инжектированного заряда, так и величину заряда накапливаемого в подзатворном диэлектрике.
Предложено использовать метод управляемой токовой нагрузки для исследования параметров инжекционно модифицированных мдп-структур, основанный на приложении к МДП-структуре многоуровневого токового воздействия и измерении временной зависимости падающего на ней напряжения, позволяющий в рамках одного метода без перекоммутации образца контролировать изменение зарядового состояния структуры в режиме заряда емкости и сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик. Таким образом, учёт процесса заряда ёмкости МДП-структуры, помимо повышения точности измерения параметров, определяемых в рамках данного метода, позволяет контролировать ряд новых параметров, значительно расширяя возможности и информативность метода.
Показано, что при исследовании МДП-структур в сильных электрических полях после воздействия радиационных излучений использование метода управляемой токовой нагрузки позволяет получить более полную информацию об изменении зарядового состояния инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев МДП-структур. Совместное применение инжекционных методов исследования МДП-структур и метода вольт-фарадных характеристик позволяет разделять и исследовать процессы изменения зарядового состояния инжеционно модифицированных МДП-структур на границе полупроводник диэлектрик и в объеме диэлектрической пленки.
Описаны экспериментальные установки, применяемые для инжекционной модификации и исследования инжекционно модифицированных диэлектрических слоев МДП-структур.
В третьей главе приведены результаты исследования процессов инжекционной модификации многослойных диэлектрических слоев МДП-структур. Были проведены исследования влияния режимов сильнополевой туннельной инжекции на зарядовое состояние МДП-структур при инжекционной модификации. Получены результаты экспериментальных исследований, направленные на обоснование выбора режимов сильнополевой туннельной инжекции при инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, определен диапазон токовых воздействий и плотностей инжектированного в диэлектрик заряда. Показано, что плотность тока при инжекционной модификации должна находиться в пределах 10-710-5 А/см2, а плотность инжектированного в многослойный диэлектрик заряда целесообразно ограничить величиною 0,5 мКл/см2. Инжекция заряда большей плотности приводит к незначительному увеличению термостабильной компоненты инжекционно стимулированого заряда, при существенном возрастании деградационных процессов в окисле.
В двухслойном диэлектрике SiO2-ФСС в диапазоне плотностей токов j=10-710-5 А/см2 наблюдается накопление отрицательного заряда. Кинетика изменения зарядового состояния МДП-структуры в этом случае определяется в основном величиной заряда, инжектированного в диэлектрик.
Было проведено исследование процессов стекания инжекционно стимулированного заряда в инжекционно модифицированных МДП-структурах при термических воздействиях. Установлено, что при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях отрицательный заряд, захватывающийся в пленке ФСС, содержит две компоненты. Первая стекает при температурах отжига до 200 °С, а вторая - термостабильная часть заряда. Показано, что улучшение температурной стабильности инжекционно модифицированных МДП-структур может быть получено за счет проведения их отжига при температуре 200 °С в течение 1 часа, в результате происходит стекание температурно нестабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда (рис. 1).
Рис. 1. Изменение напряжения плоских зон от времени, при температурах Т=100 оС и Т=200 оС на инжекционно модифицированных МДП-струкутрах Si-SiO2-ФСС-Al при плотности инжектированного заряда 4,1·10-4 Кл/см2
Установлено, что доля термостабильной компоненты составляет от 20 до 50 % инжекционно стимулированного заряда.
С использованием моделей зарядовой нестабильности МДП-систем Si-SiO2-Al и Si-SiO2-ФСС-Al исследовались процессы переноса заряда и зарядовой нестабильности на начальном этапе сильнополевой туннельной инжекции в условиях неравномерного протекания туннельного тока при инжекционной модификации. Определены допустимые значения параметров МДП-структур в дефектных областях при инжекционной модификации.
На рис. 2 (а) и (б) показаны зависимости степени увеличения плотности тока в области дефекта jDМ в зависимости от плотности тока j0 и толщины диэлектрика при высоте потенциального барьера ФB=2.8 эВ, для МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al (а) и Si-SiO2-Al (б) соответственно. Данные зависимости указывают на то, что в МДП-структурах Si-SiO2-Al наблюдаются большие степени увеличения плотности тока в области дефекта по сравнению с Si-SiO2-ФСС-Al. На основе анализа полученных в результате моделирования зависимостей токовых нагрузок в областях дефектов показано, что для толщин подзатворного диэлектрика 100 нм отклонения в областях дефектов таких параметров, как толщина диэлектрика и высота потенциального барьера не должны превышать ~10 % от номинальных.
Проведенный анализ результатов исследований процессов инжекционной модификации МДП-структур позволил предложить метод инжекционной модификации МДП-приборов и интегральных схем, применимый в условиях массового производства.
Предложенный метод инжекционной модификации зарядового состояния МДП-приборов и интегральных схем характеризуется следующими основными положениями:
Рис. 2. Зависимости степени увеличения плотности тока в области дефекта jDM/ j0 от плотности тока j0 и толщины диэлектрика TOXD, при высоте потенциального барьера ФB=2.8 эВ:
(а) - Si-SiO2-ФСС-Al; (б) - Si-SiO2-Al
- определены режимы токовых нагрузок (J=10-710-5 А/см2), воздействие которых даёт возможность изменять зарядовое состояние диэлектрических плёнок, не приводя к необратимой деградации их электрофизических характеристик;
- по результатам экспериментальных исследований и моделирования выбран диапазон инжектированного заряда необходимого для модификации МДП-структур (Q=0,050,5 мКл/см2);
- на основе исследования стекания инжекционно стимулированного заряда в зависимости от температуры выбраны температурные и временные режимы отжига, с целью получения термостабильной компоненты отрицательного заряда;
- определены допустимые значения параметров диэлектрических слоев в дефектных областях при инжекционной модификации.
Разработанные в работе подходы для определения режимов и параметров инжекционной модификации могут быть применимы и для МДП-структур с другими толщинами двуокиси кремния и ФСС.
В четвертой главе с целью выяснения возможностей использования электронного облучения для модификации зарядовых характеристик МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al и определения радиационной стойкости термостабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда, были проведены исследования влияния электронного облучения на МДП-структуры Si-SiO2-Al, Si-SiO2-ФСС-Al и инжекционно модифицированные структуры Si-SiO2-ФСС-Al.
Для изучения влияния воздействия электронного облучения на характеристики полупроводниковых приборов, было проведено облучение МДП-структур электронами c энергией 2 МэВ, и током пучка I=50 мкА с флюенсом в диапазоне Ф=10121014 см–2. Оценка зарядового состояния МДП-структур проводилась с использованием C-V метода и метода управляемой токовой нагрузки, заключающегося в изменении амплитуды токового воздействия, прикладываемого к МДП-структуре по специальному алгоритму, и измерении временной зависимости напряжения на образце VI(t).
В МДП-структурах с термическими пленками SiO2 и SiO2-ФСС наблюдаются существенные различия в процессах изменения зарядового состояния при электронном облучении. В структурах с термической пленкой SiO2 происходит увеличение плотности поверхностных состояний с ростом флюенса облучения. Данный процесс характерен и для структур Si-SiO2-ФСС-Al, однако, величина плотности поверхностных состояний для данных структур при том же флюенсе существенно ниже, чем для структур Si-SiO2-Al. Одновременно с увеличением плотности поверхностных состояний в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al наблюдается накопление отрицательного заряда в объеме диэлектрической пленки, а его величина пропорциональна флюенсу облучения. Сравнительный анализ МДП-структур Si-SiO2-Al и Si-SiO2-ФСС-Al показал, что последние имеют более высокую радиационную стойкость и характеризуются меньшей степенью деградации границы раздела Si-SiO2.
Величина отрицательного заряда, накапливающегося в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al под действием электронного облучения, существенно ниже, чем при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, и данный заряд затруднительно использовать для модификации электрофизических характеристик данных структур (рис. 3).
(а)
(б)
Рис. 3. Высокочастотные С-V-характеристики (а) и временная зависимость изменения напряжения на МДП – структуре Si-SiO2-ФСС-Al при токовой нагрузке J=10-6 A/см2 (б), после различных видов воздействий:
 | исходная; |
 | после инжекции, J=10-6 A/см2 в течение t=100 с; |
 | после отжига в течение t=60 мин. при температуре Т=200 0С; |
 | после облучения инжектированных структур Ф=1012 см-2; |
 | после облучения инжектированных структур Ф=1013 см-2; |
 | после облучения инжектированных структур Ф=1014 см-2; |
 | после облучения не инжектированных структур Ф=1012 см-2; |
 | после облучения не инжектированных структур Ф=1013 см-2; |
 | после облучения не инжектированных структур Ф=1014 см-2 |
По-видимому, при электронном облучении с энергией электронов 2 МэВ в МДП-структурах наряду с процессами захвата электронов на электронные ловушки в ФСС существенную роль играют ионизационные процессы, приводящие к уменьшению плотности отрицательного заряда на ловушках.
Было проведено исследование влияния электронного облучения на термостабильную компоненту инжекционно модифицированных МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al. Электронное облучение, как исходных МДП-структур, так и структур c инжекционно стимулированным зарядом приводит к увеличению плотности поверхностных состояний рис. 3 (а), которая возрастает с увеличением флюенса облучения. Установлено, что термостабильная компонента отрицательного инжекционно стимулированного заряда начинает интенсивно стекать под действием электронного облучения при флюенсах облучения более 1012 см-2, при которых начинается быстрый рост плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник и накопление положительного заряда в двуокиси кремния рис. 3 (б).
Таким образом, проведенные исследования позволили определить отличительные особенности процессов изменения зарядового состояния МДП-структур Si-SiO2-Al и инжекционно модифицированных структур Si-SiO2-ФСС-Al, изготовленных в одном технологическом процессе, при воздействии электронного облучения, сильнополевой туннельной инжекции, и оценить влияние электронного облучения на термостабильную компоненту инжекционно модифицированного заряда.
Проведен сравнительный анализ процессов зарядовых изменений МДП-структур при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях и электронном облучении. В результате проведенных исследований предложен метод имитационных испытаний радиационной стойкости МДП-структур, основанных на сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик.
Пятая глава посвящена разработке полевых приборов на основе инжекционно модифицированных слоев МДП-структур. Предложен способ изготовления МДП-транзистора с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией. В предложенном способе в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию. Применение сильнополевой инжекции заряда в подзатворный диэлектрик МДП–транзисторов, для коррекции их порогового напряжения, позволяет проводить индивидуальную подгонку порогового напряжения каждого МДП – транзистора.
После процесса металлизации у изготовленных МДП-транзисторов определяется величина подгонки порогового напряжения V0 и затем выполняется подгонка порогового напряжения путем сильнополевой туннельной инжекции на величину V0 ± V с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" – соответственно для n- и р- канальных МДП – транзисторов, V – величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге.
В качестве подзатворного диэлектрика в разработанных МДП-транзисторах используют термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем ФСС. Термический отжиг пластин после сильнополевой инжекции проводят при 200250 °С в течение 0,51 часа. В результате удается создать в подзатворном диэлектрике требуемую плотность термостабильного отрицательного заряда, практически без изменения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник – диэлектрик. Способ изготовления инжекционно модифицированных МДП-транзисторов защищен патентом РФ на изобретение № 2206141 от 10.06.2003.
Разработана конструкция и технология изготовления МДП-транзистора на основе инжекционно модифицированных слоев, реализующие указанный способ. В третьей главе были проведены исследования инжекционно модифицированных МДП-структур на основе подзатворного диэлектрика SiO2 и SiO2-ФСС и предложен метод инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al в сильных электрических полях. Используя эти данные и способ изготовления МДП-транзистора с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией, описанный выше, был разработан МДП-транзистор с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией. Структура транзистора показана на рис. 4.
Рис. 4. Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа с инжекционным управлением пороговым напряжением
Для отработки конструкции, технологии и способа, была изготовлена опытная партия МДП-транзисторов с индуцированным каналом р-типа. Технология изготовления для МДП-транзистора с инжекционным управлением пороговым напряжением была разработана с использованием режимов изготовления интегральных микросхем 564 серии.
Разработанный метод модификации позволяет корректировать пороговое напряжение МДП-транзистора со структурой Si-SiO2-ФСС-Al и после установки кристалла в корпус интегральной микросхемы.
На основе проведенных экспериментальных исследований электрофизических параметров полученных МДП-транзисторов, была проведена разработка конструкции и топологии низковольтного слаботочного стабилизатора напряжения с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией, представленная на рис. 5, и изготовлена опытная партия приборов.
Рис. 5. Топология низковольтного слаботочного стабилитрона с инжекционным управлением напряжением стабилизации
со структурой Si-SiO2-ФСС-Al
Данная конструкция стабилитрона позволила получить следующие основные характеристики: рабочий диапазон тока стабилизации 5500 мкА, дифференциальное сопротивление не более 500 Ом, изменения напряжения стабилизации инжекционной модификацией 13,5 В. На ЗАО «ОКБ МЭЛ» г.Калуга изготовлена опытная партия приборов.
В заключении обобщены результаты проделанной работы.
В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы на следующих предприятиях: ЗАО "ОКБ МЭЛ" (г. Калуга); ОАО «Протон» г. Орел.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Впервые установлены зависимости стекания инжекционно стимулированного отрицательного заряда в диапазоне температур от 20 до 250 °С, накапливающегося в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al в результате сильнополевой инжекции электронов из кремния в диэлектрик.
2. Разработан метод получения термостабильной компоненты инжекционно стимулированного отрицательного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al при туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в диэлектрик в сильных электрических полях и их последующем отжиге.
3. Определены особенности влияния электронного облучения на термостабильную компоненту заряда инжекционно модифицированных МДП-структур.
4. На основе моделирования проведена оценка влияния локальных неоднородностей МДП-структур на процессы, протекающие при инжекционной модификации. Установлены допустимые границы параметров локальных неоднородностей МДП-структур.
5. Разработан метод инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, основанный на выборе полевых и токовых режимов сильнополевой инжекции и плотности инжектированного заряда электронов из кремния, существенно снижающий влияние деградационных процессов, и позволяющий получать термостабильную компоненту инжекционно стимулированного заряда.
6. Разработан способ изготовления МДП-приборов с параметрами, управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией. Применение разработанного способа позволяет проводить индивидуальную подгонку порогового напряжения каждого конкретного прибора.
7. Разработана конструкция МДП-транзистора на основе инжекционно модифицированных слоев Si-SiO2-ФСС-Al с параметрами, управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией.
8. Разработана конструкция низковольтного слаботочного стабилитрона на основе инжекционно модифицированного МДП-транзистора, с изменяемым напряжением стабилизации в диапазоне 13,5 В, соответствующего требованиям ТВО 205.002-15ТУ.
9. Предложен метод имитационных испытаний радиационной стойкости МДП-структур на основе сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, позволяющий исключить использование электронного облучения.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
- Патент РФ №2206141. Способ изготовления МДП-транзисторов / В.В. Андреев, В.Г. Барышев, А.Л. Ткаченко и др. // Б.И. – 2003. – №16.
- Зарядовая дефектность диэлектрических слоев МДП-структур / В.В. Андреев, Г.Г. Бондаренко, А.Л. Ткаченко и др. // Физика и химия обработки материалов. –2001. – №4. – С.94-99.
- Патент РФ №2206142. Способ изготовления МДП-транзисторов / В.В. Андреев, В.Г. Барышев, А.Л. Ткаченко и др. // Б.И. – 2003. – №16.
- Исследование влияния характеристик локальных неоднородностей МДП-систем на максимальную токовую нагрузку при туннельной инжекции / В.В Андреев., В.Г. Барышев, А.А. Столяров, А.Л. Ткаченко // Труды МГТУ. –1999. – № 573. – С.59-65.
- Modification of metal-oxide-semiconductor devices by electron injection in high-fields / V.V. Andreev, G.G. Bondarenko, A.A. Stolyarov, A.L. Tkachenko // Vacuum. – 2002. – Vol. 67. – P.617-621.
- Влияние электронного облучения на инжекционно-индуцированный заряд МДП-структур / В.В. Андреев, Г.Г. Бондаренко, А.Л. Ткаченко и др. // Радиационная физика твердого тела: Труды ХIV Международного совещания. –М., 2004. –С.226-230.
- Ткаченко А.Л., Чухраев И.В. Особенности инжекционных исследований МДП-структур с жидкометаллическим электродом // Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине: Труды межвузовской научной школы молодых специалистов. – М., 2001. – С.177-181.
- Ткаченко А.Л. Исследование влияния электронного облучения на характеристики МДП-структур // Микроэлектроника и информатика-2003: Тезисы докладов 10-й всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. – М., 2003. – C.39.
- Столяров А.А., Ткаченко А.Л. Имитационные инжекционные испытания радиационной стойкости МДП-структур // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Калуга, 2005. – С.292.
- Драч В.Е., Столяров М.А., Ткаченко А.Л. Исследование статистического распределения параметров МДП-структур, подвергшихся инжекционной модификации // Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине: Труды III межвузовской научной школы молодых специалистов. – М., 2002. – С.111-117.
- Ткаченко А.Л. Влияние электронного облучения на характеристики МДП-структур // Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов: Материалы региональной студенческой научно-технической конференции – Калуга, 2003. - С.48.
- Ткаченко А.Л. Исследование заряда МДП-структур генерируемого сильнополевой туннельной инжекцией // Микроэлектроника и инфораматика-2001: Тез. докладов 8-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М., 2001, - С.30.
Ткаченко Алексей Леонидович
Исследования зарядовых процессов в инжекционно модифицированных структурах и разработка приборов на их основе
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Подписано к печати 01.08.07 Формат бумаги 6084 1/16 Печ. л. 2
Тираж 100 экз. Заказ №. Бесплатно
Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана.
248600, Калуга, ул. Баженова, 2
