Исследование процессов инжекционной модификации в структурах металл-диэлектрик-полупроводник и приборах на их основе
На правах рукописи
Столяров Максим Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИНЖЕКЦИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ В СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК И
ПРИБОРАХ 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
Андреев Владимир Викторович
Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор
Стрельченко С.С.
кандидат технических наук,
Фицуков М.М.
Ведущая организация Научно-исследовательский институт материалов электронной техники
НИИМЭТ (г. Калуга)
Защита состоится «31» октября 2007 г. 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
Автореферат разослан «_16__» сентября 2007г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета
кандидат технических наук, доцент Лоскутов С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из бурно развивающихся направлений современной технологии изготовления интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых приборов является разработка методов обработки, позволяющих целенаправленно изменять характеристики приборов на завершающей стадии их изготовления или непосредственно готовых приборов. Применительно к полевым приборам на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), к таким методам относятся высокочастотная и плазменная обработки, радиационно-термическая обработка, корректировка параметров радиационным облучением и т.д. Перспективным методом управления пороговым напряжением МДП-транзисторов является изменение зарядового состояния подзатворной системы, включающей в себя многослойный подзатворный диэлектрик с электронными ловушками, заполнение которых производится с использованием сильнополевой туннельной инжекции электронов.
В качестве подзатворного диэлектрика, содержащего электронные ловушки, целесообразно использовать многослойный диэлектрик на основе двуокиси кремния и слоев фосфорно-силикатного стекла (ФСС). Основными проблемами при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе МДП-структур с многослойными инжекционно модифицированными диэлектрическими слоями являются: создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват электронов на ловушки; определение режимов сильнополевой туннельной инжекции, позволяющих эффективно заполнять электронные ловушки при минимальном увеличении плотности положительного заряда и поверхностных состояний; обеспечение требуемой термополевой стабильности инжекционно стимулированного заряда.
Проведенный анализ результатов работ по созданию инжекционно модифицированных слоев и применению их в полевых приборах и ИМС показывает, что полученные экспериментальные и теоретические результаты указывают на перспективность освоения промышленного производства приборов на основе инжекционно модифицированных слоев. Вместе с тем освоение производства полевых приборов на основе инжекционно модифицированных слоев заметно сдерживается отсутствием эффективных методов инжекционной модификации, отвечающих требованиям массового производства ИМС, и отсутствием информации о стабильности инжекционно стимулированного заряда многослойных диэлектрических слоев в условиях эксплуатации.
Цель работы.
Повышение эффективности инжекционной модификации МДП-структур и полупроводниковых приборов с многослойными диэлектрическими слоями SiO2-ФСС на основе исследования процессов изменения электрофизических характеристик в условиях сильнополевой туннельной инжекции и температурных воздействий.
Для достижения поставленной цели возникла необходимость решения следующих задач:
- исследовать зависимости накопления положительного заряда в МДП-структурах при инжекционной модификации при различных температурах с применением метода двухуровневой токовой нагрузки;
- разработать модель изменения зарядового состояния МДП-структур при инжекционной модификации, учитывающую генерацию положительного заряда;
- исследовать зависимости изменения зарядового состояния инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев SiO2-ФСС МДП-структур при различных температурах и разработать модель хранения и стекания инжекционно стимулированного заряда;
- разработать методы повышения эффективности инжекционной модификации МДП-структур;
- исследовать процессы инжекционной модификации в условиях производства ИМС на основе МДП-структур с инжекционно модифициованными многослойными диэлектрическими слоями SiO2-ФСС.
Научная новизна.
1. Впервые получены с использованием метода двухуровневой токовой нагрузки зависимости изменения зарядового состояния многослойных диэлектрических слоев МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, в условиях сильнополевой туннельной инжекции в диапазоне температур до 100 °С.
2. Разработана модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, учитывающая температурную зависимость генерации положительного заряда в двуокиси кремния при сильнополевых воздействиях.
3. Разработана модель хранения и стекания инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах с диэлектрическими слоями на основе термической пленки SiO2 пассивированной ФСС. Определены эффективные параметры центров захвата электронов в инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоях МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al.
4. Определены особенности влияния протонного облучения на инжекционно стимулированный отрицательный заряд в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al.
Практическая значимость работы.
1. Разработан новый способ изготовления МДП-транзисторов со структурой Si-SiO2-ФСС-Al, основанный на проведении инжекционной модификации при повышенных температурах.
2. Разработан метод инжекционной модификации МДП-приборов и ИМС с малой площадью затворов с использованием режима квазипостоянного тока.
3. Разработан метод повышения эффективности инжекционной модификации многослойных диэлектрических слоев SiO2-ФСС, основанный на проведении сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик при повышенных температурах.
4. Определены распределения инжекционно модифицированных МДП-структур по напряжению середины запрещенной зоны по площади полупроводниковой пластины при проведении инжекционной модификации.
Полученные в данной работе результаты и разработанные методы повышения инжекционной модификации были использованы в производстве полупроводниковых приборов и МДП-ИМС на ОАО «ВОСХОД» КРЛЗ и ЗАО «ОКБ «МЭЛ».
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования процессов инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al с учетом влияния температуры и генерации положительного заряда, а также статистические рапределения инжекционно модифицированных МДП-структур на различных стадиях модификации.
2. Модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, учитывающая температурную зависимость генерации положительного заряда в двуокиси кремния и последующее хранение и стекание инжекционно стимулированного отрицательного заряда при термополевых испытаниях и эксплуатации приборов.
3. Способ изготовления МДП-транзисторов со структурой Si-SiO2-ФСС-Al, реализующий инжекционную модификацию параметров транзисторов на основе накопления термостабильной компоненты отрицательного заряда в пленке ФСС (патент РФ № 2206142), и результаты исследования характеристик транзистора при инжекционной модификации.
4. Методы повышения эффективности инжекционной модификации МДП-приборов на основе использования режима квазипостоянного тока для приборов с малой площадью затвора и проведения инжекционной модификации при повышенных температурах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 1-ой Российской конференции молодых учёных по физическому материаловедению (Калуга, 2001 г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001 г., 2002 г.), Международной научно-технической конференции "Тонкие плёнки и слоистые структуры" (Москва, 2002 г.), Региональной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении" (Калуга, 2001 г., 2002 г.), International conference "Physics of electronic materials" (Кaluga, 2002 г., 2005 г.), Международном научно-методическом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2003 г., 2004 г.), Межнародных совещаниях "Радиационная физика твёрдого тела". (Севастополь, 2004 г., 2007 г.) 13th international Congress on Thin Films & 8th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces & Nanostructures (Стокгольм, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Калуга, 2006 г.), Региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ, в том числе 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, включая 33 рисунка. Список литературы содержит 150 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены особенности применения сильнополевой туннельной инжекции носителей в исследованиях МДП-структур и технологиях их получения. Определены перспективы использования инжекционной модификации в микроэлектронике.
Проведен анализ современного состояния физики процессов накопления зарядов в МДП-структурах на основе двуокиси кремния в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей. Показано, что процессы накопления в сильных электрических полях положительного заряда в МДП-структурах, ответственного за деградацию и пробой МДП-структур и полевых приборов и ИМС на их основе, изучены не достаточно. Исследования и определение механизмов генерации положительного заряда в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей является актуальной задачей современного этапа развития МДП-технологий. Особую важность данная проблема имеет для полевых приборов и ИМС на основе инжеционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев.
Рассмотрены инжекционные методы исследования МДП-структур. Показано, что метод постоянного тока при больших плотностях стрессового тока может давать заниженные значения величины положительного заряда, что предполагает необходимость его совершенствования.
Определены проблемы, сдерживающие широкое применение инжекционной модификации, сформулирована цель, поставлены задачи, выбраны объекты исследований.
Во второй главе, в связи с поставленной задачей исследовать температурные зависимости накопления положительного заряда при инжекционной модификации многослойных диэлектрических слоев Si-SiO2-ФСС-Al, было предложено использовать новый метод исследования процессов генерации и релаксации положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП-структур в процессе и после воздействия сильных электрических полей, основанный на применении двухуровневой токовой нагрузки, прикладываемой к образцу, и одновременном измерении напряжения на нем, позволяющий уменьшить погрешности определения плотности положительного заряда в диэлектрике в области сильных электрических полей при высоких плотностях электрического тока, для исследования генерации положительного заряда в МДП-структурах при инжекционной модификации.
Данный метод заключается в подаче на МДП-структуру двух уровней инжекционного тока - стрессового IS и измерительного Im. Генерация положительного заряда в подзатворном диэлектрике проводится амплитудой стрессового тока IS. Амплитуда измерительного тока Im выбирается на несколько порядков меньше IS, исходя из условия минимальной зарядовой деградации диэлектрика, вносимой этим током. Изменение зарядового состояния МДП-структуры при сильнополевой инжекции оценивается по изменению напряжения на МДП-структуре при токе Im. За начальное напряжение принимается напряжение VIm0, на величину которого не оказывает влияние накопление положительного заряда на начальной стадии инжекции при установлении стрессового тока IS. Поэтому изменение напряжения при токе Im учитывает положительный заряд, генерированный в подзатворном диэлектрике, при выходе МДП-структуры на режим инжекции, соответствующий стрессовому току, и, тем самым, значительно снижается погрешность, присущая методу постоянного тока, который дает заниженные значения плотности положительного заряда.
При исследовании процессов генерации положительного заряда при инжекционной модификации использовался импульсный кратковременный переход из режима протекания стрессового тока IS в режим измерительного тока Im и обратно. Длительность стрессового режима tS выбиралась из условия требуемой дискретности контроля величины генерированного положительного заряда. Длительность измерительного режима обеспечивала переход МДП-структуры в режим инжекции заряда током Im и не оказывала существенного влияния на зарядовое состояние.
Использование данной методики позволяет проводить исследование релаксационных процессов в сильных электрических полях, обеспечивающих инжекцию электронов из кремния, что затруднительно при использовании постоянного напряжения, при котором сильно возрастает вероятность пробоя образца. Другой важной особенностью предложенного метода является более высокая достоверность измерений, поскольку отсутствует перекоммутация образца при контроле параметров, характеризующих релаксацию зарядового состояния структуры.
Решение данных вопросов имеет важное научное и практическое значение для исследования процессов инжекционной модификации и развития технологии производства полевых приборов и интегральных схем на основе инжекционно модифицированных МДП-структур.
Рассмотрены методические особенности проведения инжекционной модификации МДП-структур и полевых приборов на их основе с использованием методов постоянного тока и напряжения и разработанная установка для инжекционной модификации МДП-транзисторов.
Рассмотрены использованные в работе методики и установки для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки, измерения высокочастотных ВФХ МДП-структур и ВАХ МДП-транзисторов.
В третьей главе рассмотрены результаты исследований МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции носителей.
Исследования изменения зарядового состояния МДП-структур с SiO2-ФСС в условиях сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевого электрода при плотности инжекционного тока IS, используемого для стрессового воздействия, равной 10-6 А/см2, показали, что с ростом температуры происходит интенсивное увеличение напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al, связанное с увеличением плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик полупроводник.
Изменения зарядового состояния МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al определяются не только захватом электронов на ловушки в ФСС, но и генерацией положительного заряда дырок, генерированных ударной ионизацией инжектированных электронов и захваченных на ловушки в SiO2 вблизи границы раздела двуокись кремния-полупроводник. Для определения вклада каждого из этих процессов в температурную зависимость изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al при постоянной плотности тока инжекции исследовались зависимости накопления положительного заряда в МДП-структурах с двуокисью кремния при температурах 20100 °С и проводилось их сопоставление с изменением напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al.
Показано, что плотность положительного заряда, накапливающегося в пленке двуокиси кремния МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевого электрода, имеет температурную зависимость – снижаясь с ростом температуры.
Установлено, что при больших плотностях инжекционного тока метод постоянного тока дает заниженные значения величины положительного заряда и не может быть использован для исследования кинетики накопления положительного заряда на начальном этапе его генерации. Использование предложенного двухуровневого токового воздействия позволяет значительно повысить точность определения величины положительного заряда во всем диапазоне сильнополевых воздействий и, в результате, получать качественно новую информацию о процессах генерации положительного заряда.
На основе исследования температурных зависимостей изменения зарядового состояния многослойных диэлектрических слоев МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al и МДП-структур Si-SiO2-Al, полученных с использованием метода многоуровневой токовой нагрузки (рис.1), установлено, что увеличение плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник, в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al определяется уменьшением накопления положительного заряда генерированных ударной ионизацией инжектированных электронов дырок, захватываемых на ловушки в двуокиси кремния, и увеличением плотности электронов на ловушках в слое ФСС. Причем на увеличение отрицательного заряда электронов на ловушках в ФСС приходится только от 20 до 30 % увеличения плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник.
Исследовалось влияние режимов сильнополевой инжекции электронов на модифицикацию низковольтных слаботочных стабилитронов на основе МДП-транзистора с многослойным подзатворным диэлектриком, содержащим электронные ловушки. Для реализации режимов инжекционной модификации был разработан специальный МДП-транзистор, имеющий длину канала 2 мкм и соотношение длины канала к ширине 2104. Отличительной особенностью данного полевого прибора является то, что в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойный диэлектрик SiO2-ФСС толщиной 100 нм, содержащий электронные ловушки. Затвор в данном приборе имеет собственный вывод, выполняющий роль электрода, предназначенного для проведения инжекционной модификации многослойного подзатворного диэлектрика.
Установлено, что при инжекции электронов из кремниевой подложки можно сдвигать пороговое напряжение транзистора на величину до 3,5 В, при этом наблюдается заметное в 23 раза снижение крутизны транзистора. При инжекции электронов из алюминиевого электрода максимальный сдвиг порогового напряжения составлял около 1,5 В без заметного снижения
Рис. 1. Зависимости изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-Al (кривые 1-7) и Si-SiO2-ФСС-Al (кривые 1'-4') под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур и плотности тока инжекции:1, 5, 1' - 20 °С, 2, 6, 2' - 50 °С, 3, 3' - 75°С, 4, 7, 4' - 100°С; 1- 4, 1'- 4' - плотность тока инжекции 10-6 А/см2; 5,6,7 - плотность тока инжекции 10-3 А/см2
крутизны. После отжига транзисторов сдвиг порогового напряжения составлял около 60 % от значений полученных после инжекции, а крутизна транзистора практически восстанавливалась до своей исходной величины. Таким образом, для инжекционной модификации МДП-транзисторов более предпочтительным оказывается режим инжекции электронов из кремниевой подложки, при котором выше величина максимального сдвига порогового напряжения и существенно ниже вероятность пробоя подзатворного диэлектрика по сравнению с инжекцией из Al-го электрода.
С повышением температуры, при которой проводилась инжекция электронов, возрастает величина сдвига порогового напряжения МДП-транзистора. Однако после отжига МДП-транзистора остаточная величина термостабильной компоненты отрицательного заряда увеличивается с ростом температуры на 1525% (рис. 2). Следовательно, повышение температуры МДП-транзистора при проведении сильнополевой инжекции позволяет увеличить величину термостабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда.
Рис. 2. Зависимости изменения порогового напряжения МДП-транзисторов от времени инжекции после инжекционной модификации (1, 2, 3) и последующего отжига (1', 2', 3') при температуре инжекционной модификации: 1 –50 °С; 2 – 75 °С; 3 – 100 °С
Исследования изменения распределений МДП-структур до и после инжекции заряда в диэлектрик и после отжига, при инжекционной модификации в производственных условиях показали, что проведение отжига инжекционно модифицированных МДП-структур сопровождается некоторым уменьшением ширины гистограммы распределения МДП-структур по напряжению, соответствующему середине запрещенной зоны, однако она остается больше ширины гистограммы распределения исходных структур.
Исследования влияния протонного облучения на инжекционно модифицированные МДП-структуры Si-SiO2-ФСС-Al указывают на то, что зарядовая деградация при протонном облучении, как исходных МДП-структур, так и после инжекционной модификации имеет схожий характер и заключается в увеличении плотности поверхностных состояний и накоплении в подзатворном диэлектрике положительного заряда. Установлено, что термостабильная компонента инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al является устойчивой к воздействию протонного облучения с флюенсами, не вызывающими необратимой деградации МДП-структур Si-SiO2-Al.
В четвертой главе на основе ранее полученных экспериментальных данных предложена модель модификации МДП-структур с термической плёнкой SiO2, пассивированной слоем ФСС, в условиях управляемой сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик при различных температурах. Модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al учитывала основные механизмы изменения зарядового состояния многослойного диэлектрика: захват электронов на ловушки в ФСС, накопление положительного заряда, возникающего в результате межзонной ударной ионизации в SiO2 с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в окисле, а также инжекцию дырок из анода, захват электронов на первичные электронные ловушки в SiO2. Процессы накопления зарядов описывались следующими уравнениями:
- уравнение для плотности электронов, накапливаемых в слое ФСС 
, (1)
- уравнение для плотности электронов, накапливаемых в объеме SiO2
, (2)
- уравнение для плотности положительного заряда, накапливаемого в пленке SiO2
, (3)
где q – заряд электрона; npg и nt – плотности электронов, накапливаемых в ФСС и SiO2 соответственно; p – плотность дырок, накапливаемых в SiO2; Npgi и pgi(Т) – плотности и сечения захвата i-х электронных ловушек в пленке ФСС; Nt и t – плотности и сечения захвата электронных ловушек в пленке SiO2; t – время; Qinj – заряд, инжектированный в диэлектрик; (m-1) – коэффициент генерации дырок (m – коэффициент умножения электронов); g – коэффициент генерации дырок из анода; Np и p – плотности и сечения захвата дырочных ловушек в SiO2; n – сечения захвата инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками. ; 
- частотный фактор; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; Еat – энергия ионизации дырочных ловушек.
Данная модель позволяет моделировать процессы изменения зарядового состояния МДП-структур при проведении инжекционной модификации при различных температурах с учетом температурной зависимости накопления положительного заряда дырок на ловушках в двуокиси кремния.
Рис. 3. Экспериментальные 1, 2, 3, 4 и расчетные 1', 2', 3', 4' зависимости изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур: 1, 1' – 20 °С; 2, 2' – 50 °С; 3, 3' – 75 °С; 4, 4' – 100 °С
Проведено сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур. Теоретические зависимости были получены с использованием предложенной модели инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, учитывающей температурную зависимость генераци положительного заряда дырок в двуокиси кремния. Как видно из рис. 3, результаты моделирования позволяют описывать изменение зарядового состояния МДП-структур с многослойным диэлектриком SiO2-ФСС в диапазоне температур 20100 °С.
Разработана модель хранения и стекания отрицательного заряда в инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев на основе системы SiO2-ФСС, в которой вместо квазинепрерывного спектра энергии электронных ловушек в ФСС, предлагается рассматривать линейчатый спектр, состоящий из n дискретных составляющих. Предполагалось также, что частотный фактор не зависит от энергетического положения ловушки и температуры. Сравнение результатов моделирования стекания инжекционно стимулированного заряда при различных температурах с экспериментально полученными данными показало (рис. 4), что в энергетическом спектре электронных ловушек в инжекционно модифицированном многослойном диэлектрике SiO2-ФСС имеются ловушки, способные обеспечить время хранения захваченного заряда, достаточное для практического использования в полевых приборах и ИМС.
Рис. 4. Расчетные 1, 2, 3 и экспериментальные 1', 2', 3' временные зависимости изменения напряжения плоских зон МДП- структур при различных температурах: 1, 1'- 200 °C, 2, 2'- 100 °C, 3, 3' - 50 °C
В пятой главе описан разработанный способ изготовления МДП-транзисторов (патент РФ № 2206142), включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика с электронными ловушками в объеме, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения VТ, изменение порогового напряжения внешним воздействием во время нагрева подложки, где в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремния в подзатворный диэлектрик импульсом постоянного тока плотностью, лежащей в диапазоне 10-7-10-4 А/см2, в течение которой контролируется изменение напряжения на МДП-структуре VI, и прекращают инжекцию при достижении VI=VТ.
Предложен метод сильнополевой туннельной инжекции в режиме квазипостоянного тока, заключающийся в том, что на затвор МДП-транзистора подаются импульсы возрастающего напряжения, а в промежутках между импульсами производится измерение порогового напряжения. На затвор МДП-транзистора первоначально подается импульс напряжения инжекции длительностью tinj с амплитудой V0, соответствующей требуемой величине тока инжеции I0. После прекращения подачи импульса напряжения инжекции, в промежутке между импульсами, измеряется пороговое напряжение МДП-транзистора VT. Амплитуда следующего импульса напряжения инжекции увеличивается на величину изменения порогового напряжения транзистора. Измерение порогового напряжения и увеличение амплитуды следующего импульса производятся после окончания подачи каждого импульса напряжения инжекции. Подача импульсов напряжения производится до достижения требуемого изменения порогового напряжения.
Во время подачи импульса напряжения сильнополевая инжекция осуществляется в режиме постоянного напряжения. В течение длительности импульса электрическое поле на инжектирующей границе раздела будет уменьшаться за счет накопления заряда захваченных на ловушки в многослойном диэлектрике электронов, что будет приводить соответственно и к уменьшению тока инжекции. Увеличение амплитуды последующего импульса напряжения приведет к тому, что напряженность электрического поля на инжектирующей границе станет такой же, какой она была в начале предшествующего импульса напряжения.
Таким образом, предложенный алгоритм подачи напряжения на МДП-транзистор при сильнополевой туннельной инжекции минимизирует изменение электрического поля на инжектирующей границе, реализуя режим квазипостоянного тока, что позволяет в 3-5 раз сократить время инжеции заряда в многослойный диэлектрик. Разработанный метод инжекционной модификации МДП-приборов и ИМС с малой площадью затворов с использованием квазипостоянного тока использовался для контроля качества и аттестации технологического процесса в ОАО «Восход» КРЛЗ и ЗАО «ОКБ МЭЛ», г. Калуга.
Проводились термополевые испытания низковольтного стабилитрона на основе МДП-транзистора с многослойным инжекционно модифицированным подзатворным диэлектриком. Результаты проведенных испытаний указывают на то, что у инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев может быть получена термополевая стабильность инжекционно стимулированного заряда, достаточная для полупроводниковых приборов и МДП-ИМС широкого применения. Это открывает широкие перспективы применения инжекционно модифицированных слоев в изделиях микроэлектроники.
В заключении обобщены результаты проделанной работы.
В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях ОАО «ВОСХОД» – Калужский радиоламповый завод и ЗАО «ОКБ «МЭЛ» (г. Калуга).
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. На основе исследования температурных зависимостей изменения зарядового состояния многослойных диэлектрических слоев МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al и МДП-структур Si-SiO2-Al, полученных с использованием метода многоуровневой токовой нагрузки, установлено, что увеличение плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник, в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al определяется уменьшением накопления положительного заряда генерированных ударной ионизацией инжектированных электронов дырок, захватываемых на ловушки в двуокиси кремния, и увеличением плотности электронов на ловушках в слое ФСС. Причем на увеличение отрицательного заряда электронов на ловушках в ФСС приходится только от 20 до 30 % увеличения плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник.
2. Предложена модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, учитывающая температурную зависимость, накопления положительного заряда в двуокиси кремния, основанная на использовании следующих процессов изменения зарядового состояния образца: межзонной ударной ионизации в SiO2 с созданием электронно-дырочных пар и захвата дырок на ловушки в окисле; захвата накопленными дырками инжектированных электронов; термической ионизации дырочных ловушек, генерации дырок из анода и захвата электронов на ловушки в ФСС и двуокиси кремния.
3. Разработана модель хранения и стекания инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al, основанная на представлении непрерывного спектра энергий электронных ловушек в виде линейчатого спектра. Получены результаты моделирования, позволившие оценить стабильность заряда в многослойном диэлектрике SiO2-ФСС с течением времени при повышенных температурах.
4. Установлено, что термостабильная компонента инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al является устойчивой к воздействию протонного облучения с флюенсами, не вызывающими необратимой деградации МДП-структур Si-SiO2-Al.
5. Определены распределения инжекционно модифицированных МДП-структур по напряжению середины запрещенной зоны по пластине при проведении инжекционной модификации.
6. Разработан способ изготовления МДП-транзисторов со структурой Si-SiO2-ФСС-Al, реализующий инжекционную модификацию параметров на основе накопления термостабильной компоненты отрицательного заряда в пленке ФСС за счет нагрева пластины при проведении инжекции заряда в подзатворный диэлектрик (патент РФ № 2206142).
7. Разработаны методы повышения эффективности инжекционной модификации МДП-приборов, основанные на использовании режима квазипостоянного тока для приборов с малой площадью затвора и проведении инжекционной модификации при повышенных температурах.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
1. Метод двухуровневой токовой нагрузки для контроля параметров положительного заряда МДП-структур в сильных электрических полях
/ В.В. Андреев, В.Г. Барышев, М.А. Столяров и др. // Перспективные материалы. - 2003. - № 5. - С.94-99.
2. Патент РФ № 2206142. Способ изготовления МДП-транзисторов
/ В.В.Андреев, В.Г.Барышев, М.А.Столяров и др. // Б.И. - 2003. - № 16.
3. Влияние температуры на накопление положительного заряда в МДП-структурах в условиях сильнополевой инжекции / В.В. Андреев, Г.Г. Бондаренко, М.А. Столяров и др. // Перспективные материалы. – 2006. - № 4. - С.32-37.
4 Study of temperature dependence of positive charge generation in thin dielectric film of MOS structure under high-fields / G.G. Bondarenko, V.V. Andreev, M.A. Stolyarov et al. // Thin solid films. - 2006.- V.515. - P.670-673.
5. Andreev V.V., Bondarenko G.G., Stolyarov M.A. Hold time estimation of thermo-stable component of injection stimulated charge in MOS structures
// 2nd International Conference Proceedings Physics of electronic materials PEM'2005. - Kaluga, 2005. - P. 250-251.
6. Study of temperature dependence of positive charge generation in thin dielectric film of MOS structure under high-fields / G.G. Bondarenko, V.V. Andreev, М.А.Stolyarov et al. // Internation Conf. Proceed. CSIN8. –Stockholm, 2005. - P. 381.
7. Влияние протонного облучения на инжекционно модифицированные структуры металл-диэлектрик-полупроводник / B.В.Андреев, Г.Г. Бондаренко, М.А. Столяров // Радиационная физика твёрдого тела: Труды 14 Международного совещания. - М., 2004.- С. 231-235.
8. 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 межвузовской научной школы молодых специалистов - М., 2002.- С. 193-199.
9. Влияние сильнополевой инжекции на дефектность МДП-структур
/ В.В. Андреев, И.В. Чухраев, М.А. Столяров и др. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы международного научно-методического семинара. - М., 2002.- С.170-174.
10. Андреев В.В., Чухраев И.В., Столяров М.А. Воздействие радиационного облучения на инжекционно-индуцированный заряд // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы всероссийской научно-технической конференции. - М., 2004. - С. 288.
11. Столяров М.А. Исследование термополевой стабильности инжекционно модифицированных МДП-приборов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - М., 2007. - Т. 2. - С. 17.
Столяров Максим Александрович
Исследование процессов инжекционной модификации в структурах
металл-диэлектрик-полупроводник и приборах на их основе
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 11.09.07.Формат бумаги 6084 1/16
Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.
Московский государственный
технический университет имени Н.Э. Баумана
Калужский филиал
248600, Калуга, ул. Баженова, 2
