2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................... 5
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................... 10
§ 1.1. Основные понятия физики МДП-структур.............. 10
§ 1.2. Дифференциальная ёмкость МДП-структуры............ 16
§ 1.3. Генерационные процессы в ОПЗ...................... 21
§ 1.4. Лавинный пробой и лавинная инжекция в МДП-
структурах........................................ 28
§ 1.5. Дефекты системы Si-Si02............................ 35
§ 1.6. Дефектообразование в системе Si-Si02 при..........
лавинно-инжекционных воздействиях................. 42
§ 1.7. Выводы к обзору литературы и постановка
задачи.......................................... 48
2.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА................................... 50
§ 2.1. Методика проведения лавинной инжекции
электронов из кремния в слой диэлектрика.......... 50
§ 2.2. Образцы для исследования воздействия горячих
электронов на поверхность кремния................. 52
§ 2.3. Экспериментальная ячейка.......................... 53
§ 2.4. Измерение высокочастотных и низкочастотных
вольтфарадных характеристик МДП-структуры 56
§ 2.5. Вычисление спектра плотности поверхностных
состояний....................................... 58
§ 2.6. Определение темпа генерации неосновных носителей заряда методом релаксации неравновесной ёмкости..................................... 61
3
3.ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ СИСТЕМЫ 31-3102 НА ПРОТЕКАНИЕ ЛАВИННО-ИНЖЕКЦИОННЫХ ТОКОВ ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКА В
ДИЭЛЕКТРИК.............................................. 62
§ 3.1. Влияние перезарядки электронных состояний границы раздела 31-8102 на токи лавинной
инжекции из полупроводника в окисел................ 64
§3.2. «Краевая» деградация МДП-структур и лавинно-
инжекционный способ определения плотности ПС
по периферии МДП-структуры......................... 77
§ 3.3. Влияние процессов дефектообразования в
диэлектрическом слое на токи лавинной инжекции.88 § 3.4. Лавинно-инжекционный отжиг дефектов в
приповерхностной области кремния....................96
Выводы к главе 3....................................... 103
4. ПРОЯВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАВИННО - ИНЖЕКЦИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ СИСТЕМЫ 8±-3±02................................... 105
§ 4.1. О механизме формирования спектра
поверхностных состояний при лавинно—
инжекционной деградации............................107
§ 4.2. Влияние центров прилипания в энергетическом
спектре ПС на токи лавинной инжекции...............115
§ 4.3. Влияние молекулярных процессов,
происходящих на поверхности МДП-структур ,на токи лавинной инжекции
из полупроводника в диэлектрик.....................124
§ 4.4. Низкотемпературная пассивация «краевых»
поверхностных состояний в системе 31—БЮг..........12 9
Выводы к главе 4.........................................138
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ЛИТЕРАТУРА...............................
5
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных элементов широкого класса приборов современной микроэлектроники служат структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры).Наибольшее практическое значение имеют системы металл-двуокись кремния-кремний (МОП-структуры), которые являются базовыми для этой отрасли.Они применяются в транзисторах, в приборах с зарядовой связью (ПЗС), интегральных микросхемах, в некоторых видах фотопреобразователей. В ходе эксплуатации МДП структуры подвергаются полевым и термополевым воздействиям; облучению заряженными частицами и электромагнитными волнами. Обычно это вызывает ухудшение параметров и даже выход из строя интегральных схем из-за генерации дефектов на границе раздела 31-3102 и в слое диэлектрика. Дефектообразование в диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик вызывает сдвиг порогового напряжения, уменьшение подвижности свободных носителей заряда в канале транзистора снижение коэффициента усиления и крутизны переходной характеристики и другие нежелательные эффекты. Вот почему изучение дефектообразования в МДП-структурах имеет особое значение с точки зрения практических приложений. Один из самых эффективных и достаточно простых способов стимулирования процессов дефектообразования в полупроводнике, на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в пленке диэлектрика является лавинная ин-жекция неосновных носителей заряда из полупроводника в диэлектрик. Применение этой методики для кремниевых МДП-структур дает возможность исследовать закономерности
б
изменений в процессе электронного возбуждения основных параметров системы - БЮг, плотности поверхностных электронных состояний, встроенного заряда в окисел, времени генерации неосновных носителей заряда. Для лавинных фотопреобразователей на основе МДП-структур важным фактором является однородность потока инжектированных носителей по площади МДП-структуры и, соответственно, необходим обоснованный выбор оптимального режима реализации лавинной инжекции. Увеличение степени интеграции МДП-микросхем обуславливает уменьшение как размеров элементов микросхем, так и толщины изолирующего слоя диэлектрика. При этом уменьшение размеров происходит несколько быстрее, чем снижение напряжений питания. Это приводит к росту напряженности электрического поля в диэлектрическом слое структур в рабочих режимах, что создает благоприятные условия для инжекции заряда в диэлектрик. Помимо этого, инжекция носителей заряда в диэлектрик происходит при нормальном функционировании ряда элементов памяти на основе МДП-структур. Поэтому исследование закономерностей инжекции горячих электронов из полупроводника в слой диэлектрика может дать ценную информацию, необходимую при разработке элементов микроэлектроники и интегральных схем. Кроме того, изучение воздействия высокоэнергетических носителей заряда при лавинной инжекции на дефекто-образование в МДП-структурах весьма важно с точки зрения физики поверхности полупроводников, поскольку механизмы генерации дефектов в системе полупроводник-диэлектрик под действием горячих носителей и природа возникающих дефектов в значительной степени остаются невыясненными.
7
Цель работах. Настоящая работа посвящена:
-исследованию влияния перезарядки поверхностных электронных состояний на процесс инжектирования горячих носителей заряда из полупроводника в слой диэлектрика; -экспериментальному исследованию особенностей дефекто-образования на границе 31—ЗЮ2 при "краевой” лавинной инжекции электронов;
-изучению зависимости процесса инжектирования электронов через границу ЗЛ-бЮг от электро-физических характеристик поверхностных электронных состояний;
-экспериментальному поиску методов пассивации дефектов на поверхности кремния, возникающих в процессе лавинно-инжекционной деградации МДП-структур;
- исследованию влияния зарядового состояния поверхности диэлектрика на процесс лавинной инжекции электронов;
- Изучение закономерностей регенерации деградированных МДП-структур при термовоздействиях
Научная новизна работы
1.Предложен и экспериментально апробирован новый, лавинно -инжекционный метод определения плотности поверхностных электронных состояний на границе 31—3102. Одним из преимуществ этого метода является возможность его использования при измерениях на МДП-структурах малой площади.
2.Предложен новый метод экспериментального исследования дефектообразования в краевой области МДП-структуры. Экспериментально исследована эффективность дефектообразования в периферийной области МДП-структуры при лавинно-инжекционных воздействиях.
8
3. Разработан и апробирован новый метод регенерации лавинно - деградированной поверхности кремния.
4. Впервые продемонстрирована возможность исследования процессов адсорбции на поверхности окисла с использованием методики «краевого» лавинного инжектирования электронов из полупроводника в окисел.
5. Обнаружен эффект лавинно-инжекционного отжига дефектов на границе Э1 — Эл.02. Предложен и обсужден механизм этого эффекта.
АВТОР защищает:
- новую экспериментальную информацию о процессе дефекто-образования в периферийной области МДП - структуры при лавинно-инжекционных воздействиях/
- новую методику определения интегральной плотности поверхностных электронных состояний в кремнии, кото--рая может быть применена для исследования процессов дефектообразования в периферийной области МДП-струк-тур;
- результаты экспериментальных исследований влияния пере зарядки поверхностных состояний на процесс лавинной инжекции электронов.
- новую методику низкотемпературного пассивирования лавинно-деградированной поверхности кремния/
- новую экспериментальную информацию о лавинно-инжекци-онном отжиге дефектов на поверхности кремния.
практическая ценность исследований
Полученные в работе новые сведения о механизмах влияния заряда поверхностных электронных состояний на протекание инжекционных токов через границу раздела 31-3102 могут быть использованы при создании лавинно-инжекционных при-
боров, элементов памяти, фотопреобразователей. Предложенные новые методики определения плотности ПС и пассивирования дефектов на границе 31-3102 могут найти применение при разработке новых технологий, определении оптимальных технологических режимов при изготовлении МДП-приборов и интегральных микросхем.
10
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
§ 1.1. Основные понятия физики МДП-структур.
Рассмотрим структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) в условиях термодинамического равновесия. С помощью энергетической зонной диаграммы (рис. 1.1) опишем основные электрофизические процессы, происходящие в МДП-структуре.
Если к металлическому электроду приложить некоторое напряжение смещения, то в приповерхностном слое полупроводника образуется область пространственного заряда (ОПЗ). При этом падение напряжения в слое диэлектрика [1]:
Vox = ^ (1.1)
Сек Сох
где Сох - емкость окисла; Qs-заряд поверхности полупроводника; Qsc-суммарный заряд в ОПЗ. Падение напряжения в ОПЗ обозначим ф3 [1].Учитывая величину разности работ выхода электрона из металла Фм (см. рис. 1.1) полупроводника Ф3 : Фмз = Фм - Ф3 можно записать:
Vg = Vox + (1.2)
q
где q - заряд электрона.
Значение потенциала <р в любой точке полупроводника может быть задано следующим образом :
Ф = Ef: Ei (1.3)
q
где Ef - равновесный уровень Ферми в полупроводнике;
Евак
Рис.1.1. Энергетическая диаграмма МДП-структуры. Ес,Еу, - края зоны проводимости и валентной зоны полупроводника, Евте, Ег - уровень Ферми в металле и полупроводнике, Евак - энергия электрона в вакууме, Фм, Фз,Фг5 - работа выхода из металла, легированного и собственного полупроводника соответственно. Остальные обозначения в тексте.
12
Ei - положение уровня Ферми в собственном полупроводнике. Введем величины поверхностного и объемного потенциалов полупроводника. Для этого рассмотрим ось Ъ , перпендикулярную к поверхности полупроводника (рис .1.1) и обозначим разность потенциалов между некоторой точкой ОПЗ и объемом полупроводника:
Чг “ ф(г) - Фь ^3 = Фз - Фь где поверхностный потенциал ф3 = ф(г=0)и, соответственно, объемный фь = ф (2 —► со ) .В физике поверхности часто используют безразмерные поверхностный из и объемный иь потенциалы [2] . Для этого необходимо умножить введенные выше значения ф3 и фь на величину д/кТ (где к-постоянная Больц мана, Т - абсолютная температура):
у* = А. фз, иь = Л- Фь (1.4)
кТ кТ
Изгиб энергетических зон вблизи поверхности полупроводника описывается следующим образом [1]:
у (г) = л.ф(г)
кТ
У - У (О) = Л_ ф3 = из - иь (1.5)
кТ
Безразмерный объемный потенциал иь выражается через объемную концентрацию электронов п0 и дырок р0 :
иь = - 1п £1 = - 1п Ш (1.6)
т по
где П1 - собственная концентрация носителей при данной температуре.
Величина заряда в ОПЗ, концентрация основных и неосновных носителей, глубина проникновения заряженной области в объем полупроводника зависят от полярности и величины
13
приложенного к МДП-структуре напряжения. В случае, когда Уд = Фмэ ,энергетические зоны в полупроводнике становятся плоскими ; в этом случае Уя = Угв - так называемое напряжение плоских зон. Величина Угв зависит от концентрации примеси в кремнии Ыь и типа металла, используемого в МДП - структуре.
При подаче на металлический электрод структуры отрицательного напряжения смещения (подложка р-типа) в ОПЗ полупроводника увеличивается концентрация дырок. При этом в ОПЗ реализуется режим обогащения.В этом случае величины У и иЪ имеют одинаковый знак (отрицательный).Половина объемного заряда в обогащенном слое лежит в пределах приповерхностного слоя толщиной Л/2Ь<1[4], где
Ьа = (е0‘ ед'к*Т/д2р0 ) 0,5 (1*7)
так называемая длина Дебая,го - электрическая постоянная, 8з - диэлектрическая проницаемость полупроводника.
Если к затвору МДП - структуры прикладывается напряжение смещения положительной полярности, дырки (в нашем случае основные носители заряда) вытесняются из приповерхностной области кремния (в этом случае У и и.ь имеют различные знаки). Если при этом концентрация основных носителей больше, чем концентрация неосновных, то у границы кремний-диэлектрик реализуется режим обеднения. При подаче на МДП-структуру достаточно высокого напряжения Уд уровень Е* у поверхности полупроводника пересекает уровень Ег ,и край валентной зоны Ev оказывается ближе к уровню Ферми, чем край зоны проводимости Ес (см.рис.1.1) Концентрация электронов в приповерхностной области кремния при этом превысит концентрацию дырок, в ОПЗ образу-
14
ется инверсионный слой. В том случае, если почти совпадает со значением Ег на границе раздела 31 — ЭЮг или располагается несколько ниже уровня Ег, в ОПЗ имеет место режим слабой инверсии, так как концентрация электронов в инверсионном слое имеет значение порядка щ [4] . Если же концентрация электронов в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок в глубине подложки, то имеет место сильная инверсия. Принято считать, что слабая инверсия перейдет в режим сильной инверсии, когда поверхностная концентрация электронов станет равной концентрации акцепторов в слое полупроводника [3]. Можно также сказать, что та область ОПЗ, в которой выполняется условие |У(2)|< 2 |иь | называется слоем истощения. Ширина слоя истощения в полупроводнике может быть вычислена по формуле [1] :
Щ = Ьа {2 (У - 1 )}0’5 (1.8)
Область, где |У(2) | > 2 \иь\ называют слоем сильной инверсии. Если |У|> 2 |иь|, можно считать, что ОПЗ представляет собой тонкий инверсионный слой, к которому примыкает слой обеднения со стороны объема полупроводника, в котором отсутствуют свободные электроны и дырки,вследствие чего заряд в этом слое обусловлен только неподвижными ионами легирующей примеси. В режиме сильной инверсии концентрация электронов вблизи поверхности полупроводника экспоненциально зависит от поверхностного потенциала. Поэтому с увеличением напряжения, подаваемого на затвор МДП-структуры, поверхностный потенциал меняется достаточно медленно. Таким образом, в режиме сильной инверсии полное падение потенциала в ОПЗ и ширина ОПЗ в полупроводнике в термодинамическом равновесии почти пос-
- Київ+380960830922