Инжекционная деградация и модификация структур металл-диэлектрик-полупроводник при сильнополевых и радиационных воздействиях

2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение.......................................................... 6
Глава I. Деградация и модификация МДП-структур при сильнополевых и радиационных воздействиях.................................. 17
1.1. Зарядовая структура и дефекты термических плёнок 8Ю2
на кремнии.................................................. 17
1.2. Воздействие сильных электрических полей на кремниевые МДП-структуры.............................................. 24
1.3. Влияние радиационных и плазменных воздействий на характеристики МДП-структур.................................. 34
1.4. Методы инжекции заряда в подзатворный диэлектрик
МДП-структур................................................ 41
Выводы к главе I............................................ 50
Глава II. Метод управляемой токовой нагрузки для исследования МДП-структур..................................................... 52
2.1. Основы метода управляемой токовой нагрузки............. 52
2.2. Использование метода управляемой токовой нагрузки для исследования процессов генерации и релаксации положительного заряда в МДП-структурах................................ 59
2.3. Совместное использование методов управляемой токовой нагрузки и токов термостимулированной деполяризации 68
2.4. Способы оперативного контроля параметров МДП-структур в рамках метода управляемой токовой нагрузки 73
2.5. Установки для реализации метода управляемой токовой нагрузки и его совместного использования с методом ТСД .... 87
Выводы к главе!!............................................ 92
3
стр.
Глава III. Модификация МДП-структур сильнополевой инжекцией, протонным облучением и плазменными обработками...................... 95
3.1. Иижекционная модификация МДП структур в сильных электрических полях..................................... 95
3.2. Влияние параметров пленки фосфорно-силикатного стекла
на модификацию МДП-структур............................... 106
3.3. Иижекционная обработка МДП-структур с термической пленкой двуокиси кремния.............................. 114
3.4. Модификация МДП-структур плазмоструйной и высокочастотной плазменными обработками......................... 120
3.5. Протонная модификация МДП-структур...................... 126
3.6. Модель сильнополевой инжекционной модификации и деградации МДП-структур ................................. 135
3.7. Моделирование процессов инжекционной модификации и деградации МДП-структур................................ 145
Выводы к г л а в е III............................................. 151
Глава IV. Исследование инжекционной деградации МДП-структур при воздействии сильных электрических полей..................... 154
4.1. Деградация МДП-структур с термической БЮг при инжек-
ции электронов в сильных электрических полях.............. 154
4.2. Зарядовая деградация МДП-структур с термической 8Ю2, пассивированной фосфорно-силикатным стеклом в сильных электрических полях............................. 164
4.3. Особенности зарядовой деградации МДП-структур с различными электродами и при инжекции электронов из металлического электрода............................... 178
4
стр.
4.4. Генерация и релаксация положительного заряда в МДП-структурах с термической пленкой SiC>2 при сильнополевой инжекции электронов....................................... 194
4.5. Послеинжекциониая релаксация зарядового состояния МДП-структур с термической пленкой Si02 пассивированной
ФСС....................................................... 200
Выводы к главе IV......................................... 209
Глава V. Деградация МДП-структур при протонных и плазменных воздействиях................................................... 212
5.1. Зарядовая деградация МДП-структур при протонных облучениях............................................. 212
5.2. Релаксация зарядового состояния МДП-структур после прогонного облучения................................. 221
5.3. Влияние плазмоструйной обработки на изменение зарядового состояния МДП-структур.......................... 227
5.4. Изменение зарядового состояния МДП-структур после воздействия ВЧ плазмы................................ 235
5.5. Метод имитационных инжекционных испытаний радиационной стойкости МДП-структур . ..................... 241
Выводы к главе V.......................................... 245
Глава VI. Применение метода управляемой токовой нагрузки и результатов исследования инжекционной деградации и модификации МДП-структур в производстве интегральных схем и полупроводниковых приборов.......................................... 248
6.1. Автоматизированная установка контроля качества МДП-структур, реализующая метод управляемой токовой нагрузки ... 248
5
Стр.
6.2. Использование метода управляемой токовой нагрузки в производственных условиях.......................... 252
6.3. Корректировка и контроль технологических режимов получения подзатворного диэлектрика МДП-БИС............ 262
6.4. Влияние технологических факторов на зарядовую дефектность МДП-структур................................. 269
6.5. Контроль инжекциоиной стойкости МДП-структур в сильных электрических полях методом управляемой токовой нагрузки ..................................................... 282
6.6. Полупроводниковые приборы с инжекционной модификацией параметров.................................... 291
Выводы к главе VI....................................... 296
Заключение. Основные результаты и выводы..................... 299
Литература................................................... 303
Приложения................................................... 338
6
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие микроэлектроники, наблюдающееся в последнее время, неразрывно связано с успехами кремниевой технологии. Использование кремния в качестве исходного материала для изготовления полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных схем (ИС) во многом обусловлено возможностью получения на его поверхности пленки БЮг, которая обладает хорошими изолирующими свойствами, высокой электрической прочностью, широкой шириной запрещенной зоны и вместе с тем позволяет получать высокое качество границы раздела 81-8102 с низкой плотностью поверхностных состояний. Базовым элементом большинства ИС и ПП являются структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с пленкой БЮ2 в качестве подзатворного диэлектрика. Широкое распространение получили также МД11-структуры на основе термической пленки БЮг , пассивированной слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС), который используется для стабилизации электрических характеристик полевых приборов. Образование пленок ФСС может наблюдаться и в системах 81-8Ю2-поликристаллический кремний (81*), легированный фосфором, являющихся основой современных БИС.
Увеличение степени интеграции и уменьшение линейных размеров элементов ИС, повышает напряженности рабочих электрических полей приближая их к инжекционным. Для некоторых типов ПП и ИС инжекция носителей заряда в подзатворный диэлектрик становится их рабочим режимом. Инжекция заряда в диэлектрическую пленку приводит к изменению зарядового состояния МДП-структуры, постепенной деградации электрофизических параметров и в конечном счете к пробою диэлектрика. Инжекционная стойкость диэлектрической пленки во многом определяет надежность и ресурс работы ПП и ИС, эксплуатируемых в критических условиях, таких как сильные электрические поля, воздействие ионизирующих облучений, инжекция горячих носителей и т.д. Другим важным фактором, определяющим надежность ИС и ПП, является радиационная стойкость МДП-структур, ко-
7
торая тесно взаимосвязана с инжекционной стойкостью. Инжекция носителей заряда в сильных электрических полях, также как и радиационное облучение приводит к активации дефектов в объеме подзатворного диэлектрика и на границе раздела БЬЗЮг и как следствие к протеканию однотипных де-градационных процессов в МДП-структурах.
Одним из основных механизмов де1радации МДП-структур при сильнополевых и радиационных воздействиях является генерация и последующая релаксация положительного заряда в подзатворном диэлектрике. Несмотря на достаточно большое количество работ, посвященных данному вопросу, в настоящее время нет однозначного представления о протекающих при этом физических явлениях. Так, в качестве возможных механизмов генерации положительного заряда обычно рассматриваются межзонная ударная ионизация в пленке 8102, производимая инжектированными в сильных электрических полях электронами и приводящая к генерации дырок, инжекция дырок из анода, перераспределение водорода и т.д. Для объяснения по-слестрессовой релаксации положительного заряда также используются различные модели, например, транспорта водорода, конверсии захваченных дырок и др. Такое разнообразие используемых моделей обусловлено не только сложностью протекающих явлений, но и нехваткой экспериментальных данных, получение которых невозможно без разработки новых методов исследования, позволяющих получать качественно новую информацию о процессах генерации и релаксации положительного заряда в МДП-структурах.
Перспективным направлением решения задачи создания полупроводниковых приборов, параметры которых можно изменять после их изготовления, является разработка диэлектрических пленок, способных изменять в широком диапазоне свое зарядовое состояние и сохранять его длительное время в процессе эксплуатации, а также разработка новых методов модификации характеристик МДП-структур. Значительное количество исследований в настоящее время посвящено проблеме улучшения характеристик
8
МДП-структур путем проведения специальных обработок, к которым относятся плазменная, радиационная, термическая и т.д. В связи с разработкой в последнее время новых методов плазменной обработки, одним из которых является плазмоструйная (ПСО), стало возможным получение новых эффектов, дающих возможность изменять свойства полупроводниковых структур. Особый интерес представляет воздействие протонного облучения на МДП-структуры, дающее возможность проводить имплантацию водорода в различные области структуры. Другим перспективным методом модификации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов с МДП-структурой является инжекция заряда в диэлектрик, позволяющая проводить индивидуальную коррекцию параметров каждого прибора.
Одним из перспективных направлений исследования зарядовых явле-нийв диэлектрических пленках, а также прогнозирования инжекционной и радиационной стойкости МДП-приборов является использование сильнополевой туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в подза-творный диэлектрик. Применение инжекционных методов позволяет определять характеристики центров захвата носителей и исследовать механизмы зарядовой деградации. К преимуществам инжекционных методов исследования и контроля зарядового состояния МДП-структур при критических воздействиях следует отнести сравнительную простоту реализации, возможность точной дозировки заряда инжектированных носителей и определения как характеристик дефектности изоляции, так и зарядовой стабильности. Кроме того, инжекционные методы являются электрофизическими, а, следовательно, могут использоваться в системах автоматизированного контроля в производстве МДП-БИС. Широкое распространение при проведении инжекционных исследований получил метод постоянного тока, позволяющий управлять инжекционной нагрузкой, а также значительно снизить вероятность пробоя образца. Следовательно, дальнейшее развитие данного метода, направленное на увеличение информативности и повышение точности обрабатываемых экспериментальных данных, а также его совместное исполь-
9
зование с другими методами, представляет большой научный и практический интерес.
Цель работы.
Установление фундаментальных закономерностей модификации и деградации свойств структур металл-диэлектрик-полупроводник при сильнополевых и радиационных воздействиях, а также разработка методов контроля и управления параметрами этих структур в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
1) разработка нового метода контроля электрофизических параметров кремниевых МДП-структур, позволяющего проводить исследования процессов генерации и релаксации зарядового состояния образца в сильных электрических полях, а также влияние радиационных воздействий на свойства структур;
2) разработка новых способов модификации электрофизических характеристик МДП-структур на основе сильнополевых и радиационных воздействий;
3) экспериментальные исследования деградационных процессов в модифицируемых МДП-структурах при сильнополевых и радиационных воздействиях и интерпретация новых результатов;
4) моделирование процессов модификации и деградации МДП-структур в условиях управляемой сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик;
5) разработка автоматизированных средств технологического контроля и модификации электрофизических характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем в условиях промышленного производства, а также разработка новых полупроводниковых приборов, реализующих принципы инжекционной модификации параметров.
10
Научная новизна.
1. Разработаны теоретические основы метода управляемой токовой нагрузки. Обоснован выбор режимов многоуровневого токового воздействия, прикладываемого к МДП-структуре при различных режимах контроля, а также предложена методика расчета основных параметров МДП-структуры из временной зависимости напряжения, прикладываемого к образцу.
2. Разработан новый способ измерения величины положительного заряда, генерируемого в термической плёнке двуокиси кремния при туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов из кремния. Использование этого способа позволило получить качественно новые экспериментальные данные о кинетике накопления положительного заряда при больших плотностях туннельного тока.
3. Предложен новый способ исследования релаксации зарядовых состояний МДП-структур после сильнополевых "стрессовых" нагрузок, позволяющий контролировать стекание заряда в широком диапазоне внешних электрических полей, в том числе в условиях туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекции электронов в диэлектрик. На основе его использования впервые получены экспериментальные зависимости, характеризующие релаксацию положительного заряда в термической пленке ВЮ2 при управляемой сильнополевой туннельной инжекции.
4. Установлена возможность управляемого изменения туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекцией электронов в сильных электрических ПОЛЯХ величины термостабильного заряда, накапливаемого в двухслойном 8Ю2-ФСС подзатворном диэлектрике МДП-структур.
5. Показана возможность модификации термической пленки БЮг сильнополевой инжекцией электронов, протонным облучением и плазменными обработками, позволяющими повышать пробивное напряжение и ин-жекционную стойкость диэлектрика.
6. Предложены модели инжекционной модификации и деградации МДП-структур с термической пленкой 8Ю2, пассивированной ФСС, учиты-
11
вающей режимы сильнополевой управляемой инжекции электронов в диэлектрик и технологические параметры диэлектрической пленки.
7. Обнаружены и интерпретированы новые деградационные эффекты в МДП-структурах с термической плёнкой 8102, пассивированной слоем ФСС, при сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик, а именно показано, что с пленкой ФСС связано образование в подзатворном диэлектрике электронных ловушек, плотность которых возрастает с увеличением толщины пленки и концентрации фосфора; установлено, что присутствие пленки ФСС оказывает существенное влияние на генерацию и релаксацию положительного заряда, накапливаемого в пленке Б Юг как в процессе сильнополевой инжекции электронов, так и после снятия сильного электрического ПОЛЯ.
8. На основе экспериментальных исследований сильнополевой инжек-ционной деградации определены параметры электронных ловушек и характеристики зарядовой деградации, наблюдающиеся в МДП-структурах после протонного облучения и плазменных обработок.
9. Показано, что совместное использование методов управляемой токовой нагрузки и токов термостимулированной деполяризации позволяет проводить поляризацию структуры в режиме контролируемой инжекции заряда и, тем самым, значительно расширять диапазон исследуемых физических явлений, протекающих в МДП-структурах в сильных электрических полях, благодаря получению комплексной информации о процессах накопления и релаксации зарядов в диэлектрике.
Практическая ценность работы.
1. Разработан метод управляемой токовой нагрузки и автоматизированная установка для его реализации, позволяющие в частности измерять: низкочастотную вольт-фарадную характеристику МДП-структуры, вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс заря-
12
довой деградации, величину заряда, инжектированного в диэлектрик, вплоть до пробоя образца. Метод и установка используются в производственном процессе на ОАО “Восход”- Калужский радиоламповый завод и применяются для контроля параметров подзатворного диэлектрика ИС серий: 564, 537, КБ1013, 1095, 1156, 1633, МС-СТ1, МС-СН1, диэлектрических пленок в ИС: 1417, 140, а также для измерения параметров МДП-структур непосредственно в процессе облучения на каскадном ускорителе КГ-500 в НИИ ядериой физики им. Д.В. Скобельцина Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
2. Разработаны четыре новых способа ускоренного измерения напряжения микропробоя МДП-структур, позволяющие более чем на порядок повысить производительность контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев по ОСТ 11 20.9903—86, а также увеличить точность определения параметров захваченного в диэлектрике заряда по результатам измерения приращения напряжения микропробоя при различной полярности верхнего электрода.
3. Разработан способ контроля зарядовой стабильности МДП-систем по результатам измерения токов ТСД. Поляризация образца в этом способе осуществляется сильнополевой инжекцией заряда в диэлектрик в режиме протекания постоянного тока до достижения максимальной величины приращения напряжения на МДП-структуре.
4. На базе комплексных исследований разработаны рекомендации и осуществлена корректировка технологических режимов процесса получения подзатворного диэлектрика серийно выпускаемых КМДП-ИС 564 серии, что позволило на ОАО “Восход”- Калужский радиоламповый завод повысить на 3-5% выход годных и увеличить надежность ИС (операционная карта технологического процесса ТВО 734 525 ТК2. Обработка термическая, лист 34).
5. Предложен метод модификации электрофизических характеристик МДП-структур путём сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик в режиме протекания постоянного инжекционного тока. Метод
13
позволяет непосредственно во время модификации контролировать изменение параметров МДП-структуры.
6. Предложены способы модификации МДП-структур с термической пленки 8Ю2 сильнополевой инжекцией электронов, протонным облучением и плазменными обработками, позволяющие снижать зарядовую дефектность, а также повышать инжекционную и радиационную стойкость ИС и ПП с такой структурой.
7. Разработаны конструкции низковольтного слаботочного стабилитрона на основе МДП-транзистора (МС-СН1 ТВО 205 002-15ТУ) и высоковольтного слаботочного стабилизатора тока на основе ДМДП-транзистора (МС-СТ1 ТВО 205 002-16ТУ), начат их серийный выпуск. Конструкция низковольтного слаботочного стабилитрона, позволяет проводить инжекционную модификацию параметров этого прибора. Использование разработанного в диссертации метода модификации МДП-структур на основе сильнополевой инжекции электронов в подзатворный диэлектрик позволяет изменять напряжение стабилизации стабилитрона МС-СН1 в диапазоне 0,5^4 В.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Метод управляемой токовой нагрузки, основанный на приложении к МДП-структуре многоуровневого токового воздействия и измерении временной зависимости падующего 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, а также исследовать процессы генерации и релаксации зарядов в МДП-структурах, в условиях контролируемой инжекции заряда в подзатворный диэлектрик.
2. Новые способы модификации МДП-структур на основе сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик, протонного облучения и плазменных обработок, основанные на управлении величиной термоста-
14
бильного отрицательного заряда, накапливаемого в объеме подзатворного диэлектрика, и изменении зарядовых характеристик диэлектрика.
3. Модели модификации и деградации МДП-структур с термической плёнкой 8102 и плёнкой 8Ю2, пассивированной ФСС, в условиях управляемой сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик.
4. Закономерности дефадационных процессов в МД11-структурах с термической плёнкой двуокиси кремния и плёнкой 8Ю2 , пассивированной фосфорно-силикатным стеклом в сильных электрических полях, в условиях управляемой инжекции электронов в диэлектрик и при радиационных воздействиях.
5. Результаты применения сильнополевой туннельной инжекции и радиационных воздействий для модификации и контроля электрофизических характеристик МДП-структур в условиях промышленного производства изделий твердотельной электроники и полупроводниковые приборы на основе МДП-структур с инжекционной модификацией параметров.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах: Всесоюзной научно-технической конференции “Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем” (Калуга, 1989 г.); III Всесоюзной конференции “Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов” (Кишинев, 1991 г.); Всероссийских научно-технических конференциях “Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов” (Калуга, 1993,1994 г.); Международной научно-технической конференции «Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем» (Воронеж, 1993); Международных научно-технических конференциях “ Приборостроение-95” (Винни-ца-Львов, 1995 г.), “Приборостроение-96” (Судак, 1996 г.),
15
“Приборостроение-97” (Симеиз, 1997 г.), “Приборостроенис-98” (Винница-Симферополь, 1998 г.), “Приборостроение-99” (Ялта, 1999 г.), “ Приборостроение-2000” (Винница-Симеиз, 2000 г.), “Приборостроение-2001” (Вин-ница-Симеиз, 2001 г.); I и II Международных конференциях по электротехническим материалам и компонентам МКЭМК-95 (Крым, 1995 г.), МКЭМК-97 (Москва, 1997 г.); III, V Российско-Китайском (Калуга, 1996 г., Байкальск, 1999 г.) и IV, VI Китайско-Российском (Пекин, 1997, 2001 г.) симпозиумах “Перспективные материалы и технологии”; II и III Международных конференциях по модификации поверхности (Сумы, 1996, 1999 г.), VI - XI Межнациональных совещаниях “Радиационная физика твердого тела” (Севастополь, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 г.), II и III Международной конференциях по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96 (Крым, 1996 г), МКЭЭ-98 (Клязьма, 1998); II Всероссийской научно-технической конференции “Электроника и информатика-97” (Зеленоград, 1997 г.); 27 - 32 Международных научно-технических семинарах “ Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах” (Москва, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 г.); III Международной научно-технической конференции “ Микроэлектроника и информатика” (Зеленоград, 1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника-98” (Звенигород, 1998 г.); Азиатско-тихоокеанской конференции "Анализ поверхности и границы раздела" (Сингапур, 1998 г.); Всероссийских научно-технических конференциях "Прогрессивные технологии, конструкции и системы в при-боро- и машиностроении" (Калуга, 1999, 2000, 2001 г.); XXIX - XXXI Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 1999, 2000, 2001 г.); 10-ой конференции "Диэлектрики в микроэлектронике" (Барселона, 1999 г.); Девятой международной конференции "Физика диэлектриков" (Санкт-Петербург, 2000 г.); весенних заседаниях Европейского Общества исследования материалов (Страсбург, 1998, 2000 г.); Российской научной конференции "Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 2001" (Лыткарино, 2001 г.); Меж-
16
дународной конференции по физике плазмы (Квебек, 2000 г.); 7-й Европейской конференции по вакууму и 3-й Европейской тематической конференции по твердым покрытиям (Мадрид, 2001 г.); 15-ом Международном вакуумном конгрессе Американскою вакуумного общества, 48-м Международном симпозиуме и 11-й Международной конференции по твердотельным поверхностям (Сан-Франциско, 2001 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 126 работ, в том числе 3 авторских свидетельства СССР и 1 патент РФ на изобретения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 340 страниц, включая 88 рисунков. Список литературы содержит 306 наименований.
17
ГЛАВА І. ДЕГРАДАЦИЯ И МОДИФИКАЦИЯ МДП-СТРУКТУР ПРИ СИЛЬНОПОЛЕВЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
1.1. Зарядовая структура и дефекты термических плёнок ЬЮг
на кремнии.
Одним из основных факторов, обуславливающих изменение характеристик и деградацию полупроводниковых приборов на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник, являются зарядовые явления, протекающие в подзатворном диэлектрике. Эти явления непосредственно влияют на рабочие характеристики МДГІ-приборов. Изменение зарядового состояния подзатворного диэлектрика МДП-транзистора приводит к сдвигу порогового напряжения, изменению крутизны и дрейфу характеристик прибора [1-7]. Зарядовая нестабильность диэлектрической плёнки ответственна за деградацию характеристик запоминающих устройств с плавающим затвором и приборов с зарядовой связью [2, 8]. Особый интерес представляет изучение зарядовых явлений в МДП-структурах в сильных электрических нолях, приводящих к инжекции носителей заряда в диэлектрическую пленку. В процессе инжекции происходит изменение зарядового состояния образца, структурная модификация подзатворного диэлектрика и границ раздела МДП-структур [1, 9-15]. В результате появляется возможность целенаправленного изменения параметров приборов с целью улучшения их характеристик. Использование сильнополевой инжекции позволяет определить механизмы деградации и критические режимы работы полупроводниковых приборов, а также наметить пути совершенствования технологии получения диэлектрических плёнок, направленные на создание высоконадёжных приборов.
В современной электронной промышленности доминирующее положение занимают МДП-приборы на основе структур Зі-БіС^-металл. Однако природа зарядовой нестабильности и электронных процессов, происходящих в структурах Ьі-8Ю2-Ме , не получила своего полного объяснения и нахо-
18
дится в постоянном развитии [1-15]. В настоящее время в литературе для термических плёнок 8Ю2 на кремнии принята следующая классификация зарядов [1, 6] (рис. 1.1):
- фиксированный (встроенный) заряд в окисле (Зй
- заряд поверхностных состояний (захваченный на границе 81-8Ю2 поверхностными ловушками) (3},;
- подвижный заряд (}т;
- заряд, захваченный на исходные ловушки в окисле (2о{;
- заряд, захваченный на вновь созданные ловушки в окисле 0,.
Все заряды отнесены к площади. Также часто используют величину Н=(3/я - число зарядов на единицу площади (где с] - заряд электрона). Рассмотрим более подробно каждый вид заряда и причины, влияющие на их величину.
Фиксированный заряд имеет обычно положительный знак, а величина его остаётся практически постоянной во всём диапазоне рабочих напряжений [1, 2]. Место локализации фиксированного заряда находится в плёнке 8102 не более 2-3 нм от границы раздела БьБЮг [2, 16, 17]. Величина существенно зависит от технологии окисления и ориентации подложки и слабо зависит от толщины окисла, типа проводимости и концентрации легирующей примеси в подложке.
Заряд поверхностных состояний локализован на границе раздела 81-8Ю2 и способен быстро обмениваться зарядом с объёмом кремния. Энергетически поверхностные состояния расположены в глубине запрещённой зоны кремния. Состояния в верхней части запрещённой зоны обычно называют акцепторными, в нижней - донорными [2, 8]. Выделяют три типа поверхностных состояний [1]: первый, являющийся следствием самого процесса окисления и обусловленный, по-видимому, структурными дефектами границы БьБЮг; второй возникает при различных ионизирующих облучениях и инжекции заряда в сильных электрических полях [1, 3, 6]; третий определяется присутствием на границе 81-8Ю2 металлических примесей [I, 17].
Классификация и расположение зарядов, наблюдающихся в термической плёнке БЮ2 на кремнии
- фиксированный заряд;
Он - заряд поверхностных состояний;
С!т - подвижный заряд;
<Зо, - заряд, захваченный на исходные ловушки в окисле;
О! - заряд, захваченный на вновь созданные ловушки в окисле.
20
Подвижный заряд связывается с присутствием в плёнке 8Ю2 положительно заряженных ионов щелочных металлов 1л+, Иа" и К [1,2, 18], а также с ионами водорода Н+ [1, 17], распределёнными по объёму окисла. Заряд 0П1 может перемещаться в слое окисла при воздействии на МДП-структуру стрессовых термополевых нагрузок [1,2].
Заряды, захваченные на исходные и вновь созданные ловушки в окис-ле возникают, как правило, при стрессовых воздействиях, и их исследование представляет наибольший интерес, как для оценки надёжности МДП-приборов при критических режимах работы, так и с точки зрения управления изменением зарядового состояния образца. Заряд <Зо( может быть создан ионизирующим облучением [1,3], с помощью внутренней фотоэмиссии [1, 2], путём туннелирования носителей заряда из контактов [1, 5-12], их лавинной инжекцией [1,12,19] и т.д. Захваченный заряд может состоять как из заряда захваченных электронов, так и из заряда захваченных дырок. Вновь созданные ловушки возникают в объеме подзатворного диэлектрика, как правило при инжекции заряда более 1 мКл/см2 [6, 10, 20].
Вели исследованию термических пленок 8Ю2 на кремнии посвящено большое количество работ [1-6, 11-16], то значительно слабее изучен вопрос, связанный с изменением электрофизических свойств БЮг после легирования её фосфором и образованием двухслойного диэлектрика 8Ю2 -ФСС. Пассивация термической плёнки 8Ю2 слоем фосфорно-силикатного стекла применяется во многих серийно выпускаемых микросхемах с целью стабилизации их электрических характеристик [17, 21, 22]. Образование плёнок ФСС наблюдается также в структурах БьБЮг - поликристал-лический кремний, легированный фосфором [23, 24], являющихся основой современных БИС.
Главным достоинством двухслойного диэлектрика 8Ю2-ФСС является способность плёнок ФСС служить геттером ионов щелочных металлов и барьером против дрейфа этих ионов [21] , в результате удаётся минимизировать величину подвижного заряда и, тем самым, повысить стабильность
21
рабочих характеристик приборов, особенно при термополевых воздействиях. Однако способность плёнок ФСС поляризоваться [21] может также привести к зарядовой нестабильности диэлектрической плёнки. В результате для получения слабополяризуемого окисла приходится использовать плёнки ФСС с низкой концентрацией фосфора, причём для достижения более стабильных результатов после получения плёнки ФСС проводят высокотемпературный отжиг структуры [21, 25]. Уменьшение концентрации фосфора снижает способность плёнок ФСС геттерировать подвижный заряд, следовательно, концентрация фосфора в плёнке ФСС выбирается из условия обеспечения достаточной эффективности при связывании подвижного заряда и обеспечения поляризуемости в допустимых пределах. Согласно унифицированному базовому маршруту изготовления МДП-ИС с двухслойным диэлектриком БЮ2 - ФСС рекомендуется использовать концентрацию фосфора в плёнке ФСС от 0,5 до 2 % [26].
В плавление Р2С>5 в тетраэдрическую решётку термически выращенной двуокиси кремния приводит к дополнительному включению в цепь силиката тетраэдрической решётки Р04 [21]. Поскольку с каждым ионом фосфора должен быть связан ион кислорода с незамкнутой связью, каждая молекула Р2О5 в плёнке ФСС образует два противоположно заряженных центра фосфора. Согласно [21] отрицательно заряженные ионы кислорода с незамкнутой связью выступают в роли ловушки положительного подвижного заряда.
Возрастание степени интеграции МДП-БИС сопровождается увеличением площади кристаллов и плотности упаковки, что приводит к увеличению вероятности попадания дефекта в диэлектрике и поверхностном слое полупроводника на активные элементы схемы. Если грубые дефекты, приводящие к необратимым отказам, легко выявляются при выходном контроле [27-29], то дефекты, наличие которых не сказывается на работоспособности элементов МДП-БИС, выявить при рабочих режимах сложно. Такие дефекты могут приводить к отказам МДП-БИС в процессе эксплуатации. В силь-
22
ных электрических полях в местах расположения дефектов происходит возрастание неоднородности электрического поля, концентрируются токи проводимости, что и позволяет выявлять в условиях сильных полей скрытые дефекты [30, 31]. С другой стороны, именно эти дефекты в конечном итоге определяют надежность и устойчивость микросхем и электрическим перегрузкам, возникающим при их эксплуатации [32, 33].
Дефекты, встречающиеся в тонкопленочных диэлектриках, условно разделяют на две группы: макродефекты и микродефекты [31]. К макродефектам относятся микротрещины и микровыколы, царапины и загрязнения на поверхности подложки, микроканалы, поры, границы кристаллов, включения микрочастиц, проводящие трубки в пленке диэлектрика. Вторая группа дефектов обусловлена дефектами атомного размера: кислородные вакансии, избыточные кислородные ионы и другие анионы в междуузлиях решетки и, наконец, ионы металлов в узлах или междоузлиях, микропористость и включения посторонних веществ, мелкодисперсность, связанная с частичной диссоциацией окислов металлов [30, 31]. В последнее время значительное внимание уделяется изучению причин, связанных с протеканием процессов, происходящих в локальных областях с пониженной зарядовой стабильностью. Наличие таких зарядовых дефектов [34, 35] вызывает выход из строя не всей МДП-БИС, а отдельных ее частей.
Среди рассмотренных дефектов наиболее опасны для микроэлектронных приборов те, которые определяют распределение потенциалов и уровень тока, протекающего через структуру. Особое влияние оказывают дефекты на свойства МДП-структур в сильных электрических полях, т.к. именно в них концентрируются токи проводимости, происходит интенсивное выделение тепла. С другой стороны, взаимосвязь дефектности МДП-структур с развитием процессов в сильных электрических полях помогает выявлять потенциально ненадежные приборы. Разработаны методы исследования МДП-систем, использующие токополевые воздействия, в которых наиболее отчетливо проявляются дефекты образца, выявить которые при
23
низких напряжениях затруднительно. Данные методы чувствительны именно к электрически активным дефектам, определяющим надежность приборов.
В соответствии с [1, 6, 9] дефекты в слоях 8Ю2 на кремнии можно условно разделить на собственные и примесные. Собственными называются дефекты, связанные с различными нарушениями регулярных связей в кремниево-кислородной атомной сетке 8Ю2 . Примесные дефекты возникают благодоря присутствию в атомной сетке 8Ю2 чужеродных атомов и молекул.
При разрыве - О-связей вследствие тепловых колебаний возможен уход атомов кислорода путем диффузии с образованием дефекта, который представляет собой трехкоординированный атом кремния (813), имеющий неспаренный электрон на однократно занятой ^//-орбитали, расположенной
рядом с положительно заряженной кислородной вакансией (0(*). Такой дефект получил название Е' - центра [1,6, 9]. Ему могут соответствовать два состояния атомов кремния вблизи кислородной вакансии - нейтральное (81 з) и положительно заряженное ). Это обстоятельство позволяет клас-
сифицировать Е' - центры как дефекты с переменной валентностью [1,9].
Другим важным видом дефектов, играющих значительную роль в протекании электронных процессов в структуре 81-8Ю2 являются Рь-центры. Рь-центры представляют собой трехкоординированный атом кремния с неспаренным электроном на $/?3-гибридной орбитали, но связанный не с тремя атомами кислорода в объеме 8Ю2, как в случае Е' - центра, а с тремя атомами кремния на границе 8Е8Ю2 (81з=8Ь) [1,9, 36, 37]. Рь-центры являются одним из основных источников поверхностных состояний, имеющих энергетические уровни в интервале 0,15-0,96 эВ в запрещенной зоне кремния.
Наряду с собственными дефектами, рассмотренными выше, большую роль в электрофизических процессах, протекающих в структурах 8ь8Ю2 ,
24
играют дефекты, связанные с присутствием в 8Ю2 молекул воды и ее фрагментов, которые, взаимодействуя с нарушенными БьО-связями, создают новые типы дефектов |1, 6, 9]. Предполагается, что молекулы воды, диффундируя через слой окисла к 1ранице > распадаются на ОН-группы
и водород. При этом, в первую очередь, происходит насыщение разорванных связей 81-0 с образованием нейтральных центров 8ьОН и БьН, которые можно рассматривать как примесные дефекты в атомной сетке 8Юг .
Дефекты, присутствующие в структурах 8ь8Ю2, не только оказывают существенное значение на электронные процессы в диэлектрической пленке и на границе раздела с полупроводником, но и сами могут изменяться под воздействием сильнополевой туннельной инжекции электронов [1, 38, 39], а также при различных видах радиационных облучений [3, 40, 41]. Таким образом, изучение процессов взаимодействия электронов с дефектами в 8Ю2 представляется особенно важным с точки зрения изучения свойств 81-8Ю2-структур и разработки новых методов модификации таких структур.
1.2. Воздействие сильных электрических полей на кремниевые МДП-
структуры.
Сильные электрические поля, приводящие к туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик, оказывают существенное влияние на зарядовое состояние МДП-структур [1-7]. Повышение интереса к исследованию процессов зарядовой нестабильности МДП-структур в условиях инжекции носителей в настоящее время связано с тем, что с увеличением степени интеграции МДП-БИС происходит уменьшение длины каналов и толщины подзатворного диэлектрика интегральных МДП-транзисторов. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-структурах, связанных с влиянием сильных электрических полей [6, 10-16].
Сильнополевая инжекция заряда в подзатворный диэлектрик МДП-структур сопровождается их постепенной деградацией, заканчивающейся
25
пробоем диэлектрика. Инжекционная деградация является одной из основных причин отказов полупроводниковых приборов с МДП-структурой, работающих в критических режимах при повышенных напряжениях, в условиях лавинной или туннельной инжекции, ионизирующего облучения, импульсного магнитного поля и т.д. Все это обуславливает повышенное внимание, уделяемое в последнее время изучению процессов инжекционной деградации в МДП-системах [10-16, 34-41].
При деградации МДП-систем с термической 8Ю2 под действием сильнополевой инжекции заряда наблюдается, как правило, захват заряда в окисле, возрастание плотности поверхностных состояний, изменение генерационно-рекомбинационных характеристик поверхности кремния и т.д. В результате многочисленных теоретических и экспериментальных исследований [6, 10-16, 37-41] установлено, что при протекании тока туннельной инжекции наблюдаются следующие основные процессы: происходит захват электронов на уже существующие и вновь создаваемые ловушки, протекающий вплоть до пробоя образца; наблюдается накопление положительного заряда; одновременно с накоплением положительного заряда возрастает плотность поверхностных состояний.
Главным механизмом, определяющим зарядовую деградацию пленки
при сильнополевой туннельной инжекции, является накопление в ней положительного заряда. Изучению данного заряда посвящено большое количество работ [6, 10-16, 42], поскольку он не только приводит к зарядовой нестабильности диэлектрика, но и, по всей видимости, является ответственным за пробой диэлектрической пленки. Однако до настоящего времени механизм генерации положительного заряда не нашел своего окончательного объяснения. Это связано, с одной стороны, с отсутствием надежных и исчерпывающих экспериментальных данных, что выражается в противоречиях между публикуемыми результатами. С другой стороны, факторами, усложняющими анализ экспериментальных данных, являются захват электронов на ловушки, протекающий одновременно с генерацией положительного за-
26
ряда, и увеличение плотности поверхностных состояний. В результате, параметры и характеристики положительных зарядов, наблюдавшихся в различных работах, имеют принципиальные отличия, что может быть также связано с отличиями экспериментальных образцов и технологий их получения. В ряде работ образующийся при протекании инжекционных токов положительный заряд идентифицировался как “аномальный” положительный заряд [12, 43]. Он локализован у границы раздела 81- 8Ю2. Этот заряд не уничтожается электронами, захватываемыми в окисле, и может разряжаться или заряжаться почти реверсивно с большой постоянной времени, при приложении положительного или отрицательного смещения соответственно. Поэтому данному “аномальному” компоненту положительного заряда часто дается название - медленные состояния.
Существует несколько теоретических моделей, объясняющих образование положительного заряда [6, 10, 41-47]. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации [10, 41, 44]. В этой модели предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мерс своего движения могут достичь энергии равной или большей энергии запрещенной зоны двуокиси кремния, после чего они способны вызвать межзонную ударную ионизацию, в результате которой образуется электронно-дырочная пара с низкоэнергетическим электроном. Образовавшиеся таким образом дырки под действием приложенного электрического поля движутся к катоду и образуют в прика-тодной области положительный заряд. Однако образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях меньших 6 МВ/см недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда.
В работе [45] была предложена модель, в которой предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны вызывают возбуждение электронно-дырочной подсистемы 8Ю2, в результате чего могут происходить
27
структурные изменения в 8Ю2, приводящие к появлению положительного заряда. Для объяснения генерации положительного заряда наряду с механизмом межзонной ударной ионизации привлекался механизм ловушечно-зонной ударной ионизации, требующий для своей реализации наличие электронов с энергией большей или равной глубине ловушки.
Накопление положительного заряда связывают также с инжекцией в диэлектрик МДП-систем дырок и последующим их захватом на ловушки в двуокиси кремния [20, 48]. Причем инжекция дырок может происходить за счет возбуждения дырочной подсистемы под действием облучения светом и снижения высоты потенциального барьера для туннелирования дырок из контактов. Появление дырок в двуокиси кремния в сильных электрических полях связывается также с их генерацией в результате взаимодействия инжектированных электронов с анодной границей раздела [48].
Важную роль как в процессе роста термической двуокиси кремния, так и в процессе зарядовой деградации МДП-систем в условиях сильнополевой туннельной инжекции играет водород [1, 10-15]. В процессе формирования окисла водород устраняет дефектные состояния в объеме 8Ю2 и на границах раздела, насыщая оборванные связи кремния или кислорода. Инжектированные и разшретые в двуокиси кремния электроны могут вызывать перераспределение водорода вследствие выбивания его со связей и миграции к границе диэлектрик-полупроводник. При этом могут образовываться дефекты в объеме 8Ю2 и на границе 81- 8Ю2. В [10] предложена теоретическая модель для описания поведения водорода при инжекции электронов из контактов в тонких пленках 8Ю2 в сильных полях, учитывающая создание ловушек за счет выбивания горячими электронами водорода с оборванных связей 810- и 81- и захват на них электронов и дырок. Показано, что при напряженности электрического поля 4 МВ/см интенсивный рост плотности захваченного заряда в диэлектрике наблюдался при инжекции за-
3 2
ряда большего 5-10' Кл/см .
28
В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований деградационных явлений в двуокиси кремния [10, 11] получены новые данные о распределении горячих электронов в 8Ю2 по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в двуокиси кремния. На рис. 1.2 [10] показано распределение электронов, инжектированных в двуокись кремния, по энергии. Как видно из рисунка, в распределениях наблюдаются высокоэнергетические хвосты, способные вызвать межзонную ударную ионизацию в двуокиси кремния. На основе этих данных в [10, 11] предложена теория сильнополевого переноса электронов и ударной ионизации в двуокиси кремния. Согласно этой теории за сильнокополевую деградацию пленок 8Ю2 ответственны два основных механизма. Первый механизм заключается в создании в окисле ловушек и появляется, когда электрон с энергией больше чем 2 эВ (относительно дна зоны проводимости окисла) освобождает водород из состояний дефектов около анодной границы раздела [10, 38]. Затем этот водород может перемещаться к границе катод-окисел и генерировать поверхностные состояния. Согласно [10] данный механизм становится заметным после инжекции заряда больше 10° Кл/см2. Второй механизм заключается в том, что при туннельной инжекции электронов по Фаулеру-Нордгейму в полях больше 6,5 МВ/см при толщинах окисла больше 30 нм на энергетическом распределении горячих электронов появляются высокоэнергетические хвосты, способные генерировать дырки межзонной ударной ионизацией [10]. Под действием электрического поля эти дырки движутся к катоду, приводя к образованию объемного положительного заряда и генерации поверхностных состояний. Заполненные центры захвата дырок в свою очередь могут захватывать инжектированные электроны [10, 11]. Одновременно с накоплением в пленке БЮг положительного заряда начинает возрастать плотность поверхностных состояний. Многочисленные исследования данного явления показывали, что увеличение плотности поверхностных состояний и генерация положительного заряда тесно взаимосвязаны.
29
Распределение электронов по энергии для различных напряженностей электрических полей в диэлектрической пленке
Рис. 1.2.
Напряженности электрических полей в диэлектрической пленке толщиной 50 нм. 1-11 МВ/см, 2 - 9 МВ/см, 3 - 7 МВ/см, 4 - 5 МВ/см.
30
В работах [12, 45] также предполагается, что ответственными за оба процесса зарядовой деградации являются одни и те же структурные нарушения в пленке двуокиси кремния у границы Эь БЮ2. Образование структурных дефектов у границы БьБЮг происходит, в основном, под влиянием электронных процессов, которые стимулируются действием электрического поля, вызывающего инжекцию заряда в диэлектрик.
Заключительной стадией зарядовой деградации МДП-систем при высокополевой инжекции заряда является пробой подзатворного диэлектрика. В результате многочисленных исследований пробоя пленки БЮг было установлено, что определяющей причиной, приводящей к пробою диэлектрической пленки, является накопление в 8Ю2 положительного заряда. На базе данного факта развиты несколько теоретических моделей, позволяющих детально описать пробой БЮг. Так, в модели, предложенной в [49, 50], окисел делится на два типа площадей. Первый тип - “слабая” площадь, где в конце концов и происходит пробой, и вторая площадь - “крепкая”, которая согласно предлагаемой модели составляет основную часть окисла. В то время как генерация ловушек и захват электронов происходит в обоих типах площади, захват положительного заряда наблюдается только в слабых площадях. Положительный заряд образуется в результате генерации дырок межзонной ударной ионизацией и их дрейфа к катоду. Этот захваченный положительный заряд вызывает локальное увеличение электрического поля, которое увеличивает плотность инжектируемого заряда, что создает дополнительный положительный заряд. В результате возникает положительная обратная связь, которая и приводит к пробою. Более общая теоретическая модель, предложенная [49, 50], отличалась тем, что помимо межзонной ударной ионизации учитывала процесс ловушечно-зонной ударной ионизации при генерации дырок, а также предполагала, что образующийся положительный заряд состоит не только из дырок, но и из подвижных положительных ионов. В [20, 51] предложена другая модель пробоя, предполагающая, что при достижении пороговой плотности генерированных нейтральных ловушек у
31
анода происходит “усталостный” электрический пробой через новые каналы проводимости. Все описанные выше модели пробоя термических пленок БіОг на кремнии в настоящее время находятся в стадии экспериментальной проверки и постоянно корректируются и дополняются.
Захват электронов на ловушки в двуокиси кремния слабо зависит от напряженности электрического поля и определяется зарядом, инжектированным в диэлектрик [6, 10]. В течение всего процесса инжекции в термических пленках 8Ю2 наблюдается захват электронов на ловушки. При инжекции в диэлектрик заряда до 10'3 Кл/см2 в основном превалирует захват на существующие в окисле ловушки. При продолжении процесса инжекции больше 10'3 Кл/см2 электронный захват начинает определяться вновь образующимися ловушками [6. 10, 11].
Генерация электронных ловушек наряду с генерацией положительного заряда является ключевым фактором, определяющим деградацию и пробой окисла [6, 10]. Физика образования электронных ловушек еще до конца не выяснена. Главной трудностью при изучении процесса образования электронных ловушек является неспособность большинства применяемых методов исследования отдельно контролировать инжекцию электронов и дырок в окисел. Можно выделить три основные модели образования электронных ловушек [6]: модель генерации дырок из анода, электрохимическую модель и модель высвобождения водорода.
Согласно первой модели электроны, инжектированные в окисел сильным электрическим нолем или с помощью фотоинжекции, ускоряются полем в окисле и взаимодействуют с анодом. При этом взаимодействии выделяется энергия, достаточная для генерации дырок из анода. Дырки, двигаясь в окисле к катоду, вызывают появление нейтральных электронных ловушек, на это указывает взаимосвязь потока дырок и генерации электронных ловушек.
В электрохимической модели само электрическое поле непосредственно вызывает появление электронных ловушек, и процессы, обусловлен-
32
ные выделением энергии на аноде, не связаны с генерацией ловушек. Механизм образования электронных ловушек в данной модели основан на взаимодействии диполей в окисле с электрическим полем.
Модель высвобождения водорода [10, 11], которая уже частично рассматривалась выше, основана на том, что инжектированные посредством туннелирования в окисел электроны достигают анода с энергией достаточной для высвобождения водорода у анодной границы. Диффундируя сквозь окисел, освободившийся водород создает электронные ловушки. В пользу этой модели указывает то, что электронные ловушки, аналогичные образующимся при стрессовом туннельном токе, появляются и при обработке структур водородной плазмой. Вместе с тем и эта модель не может объяснить некоторые экспериментальные результаты.
Для МДГІ-систем с двухслойным диэлектриком 8Ю2-ФСС (фосфорносиликатное стекло) зарядовая деградация при инжекциониых нагрузках имеет ряд принципиальных отличий. В МДП-системах с двухслойным диэлектриком 8Ю2-ФСС при сильнополевой инжекции заряда в полях 7-8 МВ/см наблюдается накопление отрицательного заряда, которое связывается с захватом инжектированных электронов на границе 8і02-ФСС или в самой пленке фосфорно-силикатного стекла [23, 24, 52-56]. Известно, что как при пассивации двуокиси кремния ФСС, так и при ионной имплантации создаются электронные ловушки, но природа их до конца не определена. В одних работах предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны захватываются положительно заряженными группами, образуемыми атомами фосфора при вплавлений Р205 в тетраэдрическую решетку двуокиси кремния; число положительно заряженных групп может составлять около 1% от числа атомов кремния в 8Ю2. В других работах отмечается, что воздействие полярных молекул РСІЗ И РОСІЗ в процессе получения пленки ФСС на решетку 8Ю2 может привести к разрыву химических связей между тетраэдрами и, как следствие, появлению электронных ловушек, локализованных на границе раздела 8Ю2-ФСС [53-60]. Появление электронных ловушек