-г -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..................................... II
1.1. Общие представления физики ВДЩ-структур ... II
1.1.1. Область пространственного заряда на поверхности полупроводника ......................... II
1.1.2. Основные характеристики ЩЩ-структуры ... II
1.1.3. ЩЩ-транзистор............................... 15
1.2. Влияние ионной миграции на функционирование полупроводниковых приборов ..................... 17
1.2.1. Биполярные приборы ......................... 17
1.2.2. Униполярные приборы ....................... 22
1.2.3. Способы борьбы с поверхностной миграционной нестабильностью ЭДП-структур .............. 24
1.2.3.а. Способы борьбы с нежелательными последствиями поверхностной миграции
ионов...................................... 24
1.2.3.б. Способы предотвращения поверхностной
ионной миграции ........................... 25
1.3. Математические модели поверхностной миграционной нестабильности ............................. 26
1.3.1. Миграция ионов при произвольном соотношении концентрации индуцированных и начальных ионов....................................... 27
1.3.2. Диффузионная модель поверхностной миграционной нестабильности ............................. 33
1.3.3. Дрейфовая модель поверхностной миграционной нестабильности ...................... 33
- 3 -
Стр.
1.4. Экспериментальное исследование поверхностной миграционной нестабильности ВДП-структур 36
1.4.1. Экспериментальное наблвдение ионной миграции .............................................. 37
1.4.2. Методы определения параметров ионного дрейфа................................................. 39
1.5. Природа мигрирующего заряда...................... 41
1.5.1. Гидратный покров окисла ....................... 41
1.5.2. Протонные процессы в ВДП-сиотеме .............. 42
1.5.3. Химически-чувствительные приборы .............. 45
1.6. Анализ литературы и постановка задачи ........... 47
Глава П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА............................. 51
2.1. Метод исследования. Тестовые структуры 51
2.2. Метод определения значения потенциала поверхности диэлектрика ............................... 55
2.3. Измерительная установка.......................... 60
2.4. Стандартизация условий измерения................. 65
Глава Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ
МИГРАЦИОННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ В СРЕДАХ С ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ..................................... 67
3.1. Кинетика распространения потенциала по поверхности диэлектрического слоя ВДП-струк-
туры............................................. 67
3.2. Стационарное распределение потенциала по поверхности диэлектрического слоя ВДП-структуры.............................................. 77
3.3. Термические эффекты в поверхностной миграционной нестабильности ВДП-структур .................. 83
3.4. О возможности прогнозирования кинетики распространения потенциала по поверхности диэлектрика............................................ 92
- 4 -
Стр.
Глава ЕГ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ МИГРАЦИОННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ В С РЕПАХ С НИЗКОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ 94
4.1. Обоснование методики уширения инверсионного канала ........................................ 94
4.1.1. О кинетике распространения потенциала
по поверхности диэлектрика .................. 94
4.1.2. Ток инверсионного канала ЩП-транзнстора 98
4.1.3. Экспериментальное апробирование методики 100
Глава У. О СПОСОБАХ СНИЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ МИГРАЦИОННОЙ
НЕСТАБИЛЬНОСТИ....................................... 106
5.1. Изотопный эффект в поверхностной миграционной нестабильности ............................... 106
5.2. О влиянии адсорбции паров пиридина на поверхностную подвинность протонов .................. 112
5.3. Снижение поверхностной подвижности протонов на поверхности 3й02 в результате облучения низкоэнергетическими электронами ................................................. из
5.3.1. Зависимость темпа миграции ионов от энергии электронов ................................. 114
5.3.2. Зависимость теша миграции ионов от
дозы облуиения............................... 119
ВЫВОДЫ.......................................................... 122
ЛИТЕРАТУРА
125
5
ВВЕДЕНИЕ
Еурное развитие полупроводниковой электроники привело к тому, что технология полупроводниковых приборов и ИС в течение длительного времени носила эмпирический характер и до настоящего времени сохранился полу эмпирический подход к решению задач планарной технологии. Несмотря на большой прогресс в этой области, уровень понимания физических процессов, связанных с технологическими проблемами в ВДЩ-электронике, и сейчас остается недостаточным.
Дрейф биографических и генерируемых в процессе эксплуатации приборов заряженных частиц по поверхности диэлектрических слоев является паразитным эффектом, приводящим к неконтролируемым изменениям их основных характеристик, таких как обратные токи р-п переходов, коэффициент усиления транзисторов, пороговое напряжение полевых приборов и др. В связи с этим проблема поверхностного ионного дрейфа оставалась актуальной на всех этапах развития полупроводниковой электроники. В настоящее время, благодаря внедрению в практику более совершенных технологических методов, таких как ионная имплантация, электронно-лучевая литография, окисление в хлоросодержащей атмосфере, проблему получения стабильных изолирующих слоев, лишенных посторонних, электрически активных примесей, в принципе можно считать решенной. При низкой объемной проводимости диэлектрических пленок, превалирующее влияние на нестабильности характеристик приобретает миграционный процесс по поверхности диэлектрика или по границам раздела диэлектриков в реальных условиях
- 6 -
эксплуатации приборов.
С другой стороны, повышение степени интеграции микросхем, использование многоуровневой металлической разводки, и необходимость потребления низких питающих напряжений требует контроля нестабильностей по потенциалу порядка десятых долей вольта. Как показывает анализ отказов, основным механизмом деградации ИС, приводящим к выходу из строя более 60$ ВДЩ - приборов, является миграция ионов по поверхности пассивирующих или защитных покрытий.
Кроме этого, проблема поверхностной миграции ионов тесно соприкасается с другим, новым направлением научного поиска, а именно с конструированием ионно-чувствительных датчиков для элементного анализа в микроэлектронном исполнении. В связи с этим, изучение зависимости параметров миграционного процесса (поверхностной подвижности и концентрации ионов) от химической природы адсорбированных на поверхности ВДД-структуры частиц может представлять определенный интерес с точки зрения изыскания новых возможностей определения химического состава адсорбционной фазы.
Интенсивное исследование процессов, связанных с ионным дрейфом, началось в 70-ых годах, параллельно с разработкой БИС и СБИС, хотя первые экспериментальные работы по формированию поверхностных каналов в различных активных средах относятся к началу 50-ых годов, задолго до появления планарной технологии. За истекший период достигнут убедительный прогресс - развиты математические модели миграционного процесса, разработаны экспериментальные методики определения параметров ионного дрейфа, предложены способы снижения паразитного влияния миграции. Остаются, однако, нерешенные проблемы. В частности, больший-
7
ство экспериментальных работ проводилось в условиях повышенного относительного давления паров воды. Данные о закономерностях протекания миграционного процесса при низких влажностях, соответствующих реальным условиям работы приборов, в литературе практически отсутствуют.
Имеющиеся экспериментальные данные носят преимущественно качественный характер, из-за чего остаются дискуссионными важные аспекты проблемы, такие как механизм поверхностной проводимости диэлектрика, или вопрос о локализации миграционного процесса в многослойных сэндвич-структурах. Недостаточно изучена зависимость темпа миграционного процесса от температуры.
Используемые в технологии методы предотвращения последствий ионного дрейфа входят в противоречие с другими, принципиальными требованиями микроэлектронной технологии, такими как повышение степени интеграции, или создают потенциальные источники отказов, например облегчают условия для локального пробоя или приводят к ухудшению качества металлизации. В связи с этим представляет интерес отыскание более рациональных способов предотвращения миграционной нестабильности.
Необходимость в дополнительных экспериментальных исследованиях проблемы поверхностных миграционных процессов явилась стимулом настоящей работы, в которой предпринята попытка ответить на некоторые из указанных выше вопросов.
Цель -работы. I. Провести экспериментальное исследование характера распределения потенциала по поверхности диэлектрического слоя ВДП-структур, с учетом наличия биографических и индуцированных приложенным полем ионов. Исследовать возможности прогнозирования кинетики распространения и стационарногорас-пределения потенциала согласно диффузионно-дрейфовой модели.
- а -
2. Изучить влияние температуры на характер и параметры поверхностной миграции ионов во влажных средах.
3. Предложить методику определения параметров поверхностной миграционной нестабильности в условиях низкой влажности, отвечавших реальным условиям эксплуатации приборов.
4. Обосновать новые способы снижения поверхностной миграционной нестабильности, лишенные дополнительных конструктивных усложнений.
Научная новизна. I. Впервые доказано экспериментально, что распределение потенциала по поверхности диэлектрического слоя ЩП-структуры в любой момент времени после подачи рабочих напряжений на структуру может быть прогнозировано заранее, если известна рабочая температура и относительная влажность в корпусе прибора. Доказано, что в большинстве практически важных случаев стационарное распределение потенциала является параболической функцией координаты и может быть предварительно рассчитано для любых ЩП-структур.
2. Последовав изотопный эффект в поверхностной миграционной нестабильности ЩЩ-структур. Показано, что поверхностная миграционная нестабильность представляет собой дрейф протонов под действием тангенциальной составляющей поля, приложенного
к затвору.
3. Впервые обнаружен эффект задержки в распространении потенциала управляющего электрода. Предложено объяснение этого эффекта, основанное на представлениях о генерации и разделении продуктов диссоциации воды Н+ и СЕ” в краевом поле затвора.
4. Показано, что зависимость, поверхностной подвижности мигрирующего заряда от температуры носит активационный характер. Определены величины энергии активации процесса миграцион-
- 9 -
ной нестабильности при адсорбции Н20 и $20 на поверхности диэлектрика.
5. Обоснованы новые способы снижения теша поверхностной миграции ионов - путем создания протоно-акцепторных центров на поверхности диэлектрика и путем электронного облучения структур.
Автор защищает: I. Новый метод определения параметров
поверхностной ионной миграции, позволяющий определять подвижность зарядов обеих полярностей по непосредственно измеряемым величинам токов паразитных инверсионных каналов в условиях низкой относительной влажности.
2. Новые данные о характере распространения потенциала управляющего электрода по поверхности диэлектрика в широком диапазоне относительных влажностей.
3. Предложенную методику прогнозирования кинетики распространения потенциала поверхности диэлектрика, включая стационарное распределение потенциала, основанную на диффузионнодрейфовой модели поверхностной ионной миграции.
4. Новые данные о протонном характере зарядовой нестабильности ВДП-структур, базирующиеся на изотопном эффекте в миграционной нестабильности и эффекте снижения подвижности поверхностного заряда при адсорбции на поверхности диэлектрика соединений, характеризующихся большой величиной энергии сродства к протону.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке ШС и СБИС для предварительного прогнозирования величин поверхностного потенциала диэлектрических покрытий на пассивных участках микросхем. Предложенные методы снижения поверхностной подвижности ионов от-
- 10 -
крывают новые возможности решения проблемы миграционной нестабильности ЩП-структур, без понижения степени интеграции элементов ИС. Данные по изотопному эффекту и адсорбции органических веществ представляют также практический интерес с точки зрения поиска новых возможностей реализации химически-чувстви-тельных приборов на основе ЩП-структур.
Апробация -работы. Основные результаты диссертации докладывались на совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах ИС" (Дурзуф, 1983 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" (Рязань, 1984 г.) и на Московском общегородском семинаре по физико-химии поверхности полупроводников, 1985г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав:, выводов и списка цитированной литературы из 92 наименований.
- II -
Глава I
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Общие представления физики ЦЦП-с.труктур
1.1.1. Область пространственного заряда на поверхности полупроводника
Электрические свойства поверхности полупроводника определяются системой электронных состояний, локализованных на поверхности и расположенных в запрещенной зоне. Заряд, захваченный поверхностными состояниями . компенсируется равным по величине и противоположным по знаку зарядом в приповерхностном слое полупроводника 0$с , образуя нейтральную в целом, диполь-ную структуру: * Заряд 0$с состоит в общем случае из
ионизированных примесей и подвижных свободных носителей и экранирует объем полупроводника от проникновения в него электрического поля.
Теория поверхностных явлений изложена подробно в ряде монографий [1,2]. Здесь будут изложены некоторые основные выводы этой теории.
1.1.2. Основные характеристики ВДП-структуры
ВДП-структура представляет собой плоский конденсатор, одной из обкладок которого является металл, другой - полупроводник; с тыльной стороны полупроводника наносится омический контакт. На рис.1.1. представлена энергетическая диаграмма ВДП-
тенциальной энергии электрона в СПЗ под действием приповерхностного электрического поля по сравнению с ее значением в ней-
изменение по-
- Киев+380960830922