РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ НЕЗВОРОТНІХ ЗМІН ПАРАМЕТРІВ НАДТОНКИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ПЛІВОК SiO2 ПІД ДІЄЮ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ І ГАМА-ОПРОМІНЕННЯ
Застосування надтонких плівок SiO2 в якості підзатворного діелектрика і в схемах електрично перепрограмовуємої памяті висуває високі вимоги до їх надійності і деградаційної стійкості. Ймовірність пошкодження МОН ІС з сумарною площею оксиду 0,1см2 має бути не більшою 0,01% протягом 10 років при подачі постійної напруги 1,5В і температурі 70?С [1]. Важливими вимогами є низьке захоплення заряду в плівках під час проходження інжекційного струму при записуванні/стиранні інформації, проходження великого сумарного заряду до пробою і низька дефектність плівок для отримання високого відсотку виходу придатних елементів [96]. Дві останні вимоги стають більш важкою задачею, коли товщина окислу зменшується, а його площа збільшується. З іншого боку добре відомо, що зменшення товщини окислу дає змогу зменшити захоплення заряду в плівці як при електричних, так і радіаційних впливах. В той же час застосування надтонких плівок SiO2 в елементах перепрограмовуємої пам'яті, а також в КМОН ІС обумовлює необхідність їх функціонування в режимі великих електричних полів (>1?106В/см) в плівці оксиду.
Як показано в Розділі 1, при зменшенні товщини плівки SiO2 спостерігається перехід від тунелювання Фаулера-Нордгейма до прямого тунелювання. Густина струму витоку збільшується квазиекспоненційно зі зменшенням товщини окислу. Пошкодження оксиду при проходженні струму в режимі тунелювання Фаулера-Нордгейма або прямого тунелювання, як правило, пояснюється пошкодженнями індукованими високим полем чи великим струмом. Під деградацією плівки SiO2 і системи МОН розуміють постійну зміну властивостей оксиду в результаті структурних пошкоджень генерованих в оксиді чи на границях розділу електричним полем або радіаційним опроміненням. Деградація плівок SiO2 під дією великих електричних полів або інжекційних струмів проявляється збільшенням густини поверхневих станів на границі розділу Si/SiO2 [97,98], захопленням позитивного/негативного зарядів в плівці SiO2 [99,100], генерацією нейтральних електронних пасток [1,121] та появою індукованих електричним полем струмів витоку [102,103].
Нестабільність в надтонких плівках двоокису кремнію може бути індукована захопленням заряду як в об'ємі SiO2, так і на границі розділу Si/SiO2 під дією різних факторів, таких як інжекція горячих носіїв [104,105], інжекція Фаулера-Нордгейма [106], опромінення [107,108] і вольт-температурні стреси [109]. Було виявлено, що дірки сильніше пошкоджують плівки SiO2. Інжекція дірок на три порядки більш ефективно створює поверхневі стани ніж електрони [104]. Показано, що необхідною умовою для електричного пробою є генерація під дією електричного стресу нейтральних електронних пасток [106]. Коли густина генерованих електронних пасток досягає критичної величини, вони можуть утворювати провідні доріжки (шнури), які обумовлюють пробій.
Це так звана модель "найслабшої ланки" [110]. В подальшому вона була розвинута для трьохмірного випадку з залученням теорії перколяції. Дана модель допускає, що електронні пастки генеруються в об'ємі окислу випадковим чином і вони займають певний об'єм (сфера радіусом r?0,9нм, або куб зі стороною 1,3нм). Якщо дві сусідні пастки перекриваються, то стає можливою електропровідність між ними. Пастки генеруються до тих пір поки не утворюється провідна доріжка між електродами. Це і визначається як пробій.
В МОН структурах плівки SiO2 є найбільш чутливими до іонізуючого опромінення. При проходженні через окисел опромінення витрачає свою енергію на генерацію електронно-діркових пар [111]. Електрони, що утворюються під впливом радіації мають набагато більшу рухливість ніж дірки. Рухливість електронів в SiO2 становить 20см2В-1с-1 при кімнатній температурі і збільшується до 40см2В-1с-1 при нижчих температурах [112]. В той же час рухливість дірок для різних полів і температур знаходиться в діапазоні 10-4-10-11 см2В-1с-1 [113]. Крім того інтенсивність довгочасового захоплення електронів в оксиді є на 3-6 порядків меншою ніж дірок. Електрони виходять з оксидного шару за час ?1пс. Дірки, які уникнули початкової рекомбінації, малорухомі і захоплюються на пастки недалеко від місць свого утворення. В подальшому вони перерозподіляються в діелектрику під дією електричного поля поки не захопляться на глибокі діркові пастки.
Основними проявами впливу іонізуючої радіації на МОН структуру є від'ємний зсув порогової напруги (або напруги плоских зон) [114] і зменшення рухливості носіїв заряду в каналі МОН транзистора. Причинами цього є вбудова позитивного заряду в плівці SiO2 (?Qot) і генерація поверхневих станів на границі розділу Si/SiO2 (?Nit) [115].
Кількість електронно-діркових пар генерованих випромінюванням всередині оксиду прямо пропорційна його об'єму. Якщо відсоток захоплених дірок постійний, то їх кількість лінійно залежить від товщини оксиду. З іншого боку захоплені дірки обумовлюють зсув порогової напруги прямо пропорційно товщині окислу. Виходячи з цих двох факторів радіаційно-індукований зсув порогової напруги МОН структур повинен мати квадратичну залежність від товщини окислу [116]. Однак реальна картина більш складна. По-перше, відсоток захоплених дірок може залежати від товщини SiO2 через вплив механічних напруг на цей процес. По-друге, при подачі напруги під час виміру порогу границя розділу може захоплювати додаткові заряди, що приводять до зсуву порогової напруги. Показано, що для надтонких плівок SiO2 радіаційні пошкодження є значно меншими, ніж цього слід було чекати з екстраполяції даних отриманих для більш товстих плівок SiO2 [117,118]. Це може бути обумовлено впливом механічних напруг і тунелюванням дірок.
Важливим фактором, який особливо проявляється у випадку надтонких плівок SiO2 є вплив механічних напруг на величину вбудованого позитивного заряду. Наявність стискуючих механічних напруг на границі затвор/SiO2 зменшує як вбудований позитивний заряд, так і генерацію
- Київ+380960830922