Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Зависимость плотности туннельного тока сильнополевой инжекции от напряженности электрического поля при туннелировании по Фаулеру-Нордгейму описывается следующим выражением:

Е ехр

(2.1)

где - плотность тока туннельной инжекции; q - заряд электрона; Wq- масса покоя электрона; т* - эффективная масса электрона; р, ~ постоянная Планка, деленная на 2л; - высота потенциального барьера для электронов на инжектирующей границе раздела; Е - напряженность катодного электрического поля.

Это выражение получено в предположении параболической зависимости энергии электрона от волнового вектора и не учитывает: зависимость эффективной массы электрона от энергии под потенциальным барьером в запрещенной зоне двуокиси кремния; тепловое размытие распределения электронов по энергии в металлическом или полупроводниковом электродах; снижение высоты потенциального барьера за счет влияния сил зеркального изображения. Учет этих факторов существенно усложняет аналитическое описание зависимости плотности туннельного тока от напряженности электрического поля на инжектирующей границе раздела, не приводя, однако, к значительным изменениям общего вида зависимости. Поэтому в большинстве практических случаев используется зависимость (2.1).

Из данного выражения могут быть определены эффективная масса электрона и высота потенциального барьера на инжектирующей границе. Для границы Si-SiOj значения эффективной массы и высоты потенциального барьера, полученные различными авторами, варьируются в пределах т* = 0,320...1,030; Фв = 2,8...3,19 эВ. Наблюдаемый разброс параметров связан с различными условиями эксперимента, накоплением заряда в диэлектрике в процессе измерений, влиянием дефектов на фанице раздела полупроводник-диэлектрик, применением при математической обработке результатов различных моделей туннельного процесса, учитывающих отклонения дисперсионной зависимости от параболической. Анализ (проведенный 3. Вайнбергом) полученных экспериментальных зависимостей туннельного тока от электрического поля, определенных по ним значений эффективной массы электрона и высоты потенциального барьера и применяемых при этом моделей туннель-

ного процесса показал, что экспериментальные данные хорошо аппроксимируются теоретической кривой, полученной в предположении параболической зависимости энергии электрона от волнового вектора, при щ* = 0,5то

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-структур с термической двуокисью кремния в качестве диэлектрика хорошо спрямляются в ко-

в диапазоне полей

ординатах Фаулера-Нордгейма In = /

6. .10 МВ/см. В полях, больших 10 МВ/см, величина тока увеличивалась сильнее, чем следовало бы из зависимости (2.1). В области полей <6 МВ/см величина тока, протекающего через МДП-структуры, также превышает значения, полученные из зависимости (2.1), что объясняется влиянием дефектов в пленке двуокиси кремния.

К.Хеберт и Е.Ирен показали, что для тонких пленок двуокиси кремния толщиной 4...7 нм при рассмотрении процесса инжекции электронов необходимо учитывать также интерференцию электронов. В этом случае плотность туннельного тока определяется как произведение / (см. формулу 2.1) и коэффициента В, учитывающего эффект интерференции электронов и являющегося функцией от функции Эйри {Ai) и ее производной:

Ai-aL,b) + {a/kf{Aii {-aL )

где к - волновой вектор, 1, - расстояние перемещения электронов в зоне проводимости двуокиси кремния. Коэффициент нормализации функции Эйри равен:

IrnqE

При уменьшении толщины подзатворных диэлектриков необходимо учитывать не только интерференционные явления, но и влияние изменения высоты потенциального барьера в зависимости от толщины пленки оксида. Для диэлектрических слоев двуокиси кремния с толщиной более 10 нм можно считать высоту потенциального барьера постоянной и равной для электронов 3,2 эВ и для дырок 3,8 эВ [37]. С уменьшением толщины двуокиси кремния до нескольких нанометров высота эффективного потенциального барьера падает и становится равной для электронов 2 эВ при толщине диэлектрика 2 нм. Уменьшение толщины



сказывается и на величине эффективной массы. По данным расчетов приведенным в [38] для SiOj толщиной 2,2 нм, эффективная масса равна 0,0095/Wq, а для 3,3 нм 0,13mQ. Как показали В. Харелл и Дж. фрей при приложении внещнего электрического поля, наряду с изменением высоты потенциального барьера за счет наклона зон и сил зеркального отображения, требуется учитывать эффект Пула-Френкеля. Далее приведена модельная зависимость потенциального барьера от напряженности электрического поля [37]:

где фо = 3,2 эВ; а = 4 Ю, (В см2)1/з. р = 2,6 10, (В

По результатам расчетов высоты потенциального барьера на границе кремний-двуокись кремния показано [38], что в изменении потенциального барьера можно выделить три области: слой нестехиометри-ческого оксида SiO толщиной 1нм; на расстоянии от границы раздела 1...3 нм преобладают четырехчленные кольца из тетраэдров Si04; на расстоянии от 3 до 6 нм расположены шестичленные кольца (свойства третьего слоя мало отличаются от свойств объема оксида).

Особое место в исследовании дефектности и зарядовой нестабильности МДП-структур принадлежит методам, использующим инжекцию носителей в диэлектрик, в силу их чувствительности именно к электрически активным дефектам. Данные методы обладают высокой достоверностью, экспрессностью и могут быть применены в автоматизированных системах операционного технологического контроля в производстве МДП-БИС.

Развитие инжекционных методов исследований и контроля осуществляется в трех основных направлениях. Первое - повышается их информативность с целью получения новых данных, которые не могут быть получены с использованием других методов исследования. Второе - развивается совместное использование инжекционных методов исследования с такими традиционными методами, как вольт-фарадные характеристики (ВФХ), зарядовые накачки, токи термостимулированной деполяризации (ТСД) и другие. Причем многие возможности этих традиционных методов могут быть реализованы в рамках инжекционных методик [39]. Третье - учет требований производства интегральных схем, важнейшими из которых являются: сокращение времени проведения контрольно-измерительных операций, уменьшение степени влияния на характеристики контролируемых структур, точная дозировка инжекционных воздействий, повышение информативности, снижение

трудоемкости, возможность реализации в автоматизированных системах операционного контроля.

Рассмотрим получение основных параметров МДП-структур, определяемых зависимостью туннельного тока от напряжения.

Экспериментальные зависимости туннельного тока от напряженности катодного электрического поля принято рассматривать в координа-

тах Фаулера-Нордгейма In

/ 1 л

По наклону полученной пря-

мой определяют высоту потенциального барьера на инжектирующей границе раздела.

Из зависимости плотности тока от напряжения при известной высоте потенциального барьера может быть определена толщина пленки диэлектрика Т с применением итерационного метода расчета, предложенного X. Аймеришем-Хаметом и Ф. Кампабадалом и основанного на использовании выражения:

oxii+l)

6,83 юЦт /moj<i

In-

1,54.10-6 5мдпК2

где V - напряжение на МДП-структуре; / - ток, протекающий через структуру; мдп - площадь МДП-структуры.

Аналогичный метод расчета толщины диэлектрика по значениям тока и напряжения одной точки ВАХ был предложен Р.Каллигаро.

На зависимость туннельного тока от напряжения существенное влияние оказывают плотности зарядов, захваченных в диэлектрике, и места их локализации. Положительный заряд в диэлектрике МДП-структуры сдвигает ВАХ в сторону меньших напряжений, отрицательный - в сторону больших. Поэтому сдвиг ВАХ МДП-структур по оси напряжений может характеризовать изменение зарядового состояния диэлектрика. Если предположить, что в диэлектрической пленке накапливаются положительный заряд плотностью р, центроид которого находится на расстоянии Хр от границы раздела диэлектрик-полупроводник, и отрицательный плотностью Л с положением центроида Х, то сдвиг ВАХ МДП-структуры будет описываться следующим выражением:

AVj =-Щт -Хр) + {Т -Х,). еео еео

Измеряя ВАХ МДП-структур при положительной и отрицательной Полярностях металлического электрода, можно по сдвигу ВАХ после



термополевых, радиационных, ионноплазменных или инжекционных воздействий определять положение центроида заряда в диэлектрике, а следовательно, и плотность заряда.

При осуществлении сильнополевой туннельной инжекции происходит заполнение электронных и дырочных ловушек, локализованных в диэлектрической пленке. По изменению напряжения на МДП-структуре в процессе инжекции или прерывая процесс инжекции, используя методы вольт-фарадных характеристик или ВАХ-фотоинжекции, определяют заряд диэлектрика и получают зависимость заряда, захваченного на ловушки в диэлектрической пленке 0, от величины заряда, инжектиро-

ванного в диэлектрик, Q y = j/ d?. Анализируя экспериментальную зависимость Q = fiQj) и используя соответствующую теоретическую модель, описывающую кинетику заполнения ловушечных центров, определяют сечение захвата ловушек.

Во многих случаях для описания процессов заполнения ловушечных центров используют простую модель, основанную на следующем уравнении:

Qoxit) = lQo

1 - ехр

где - плотность заряда в оксиде при полном заполнении ловушек с сечением захвата о.

Затем с учетом экспериментальной зависимости Qg=f{Qj ) строят график \n{dQJdt) как функцию от величины инжектированного заряда. Величина сечения захвата а находится из наклона прямой \n{dQgJdt) = = f(Qinj) на конечном участке Qit), а величина Q, - из отрезка, отсекаемого этой прямой на оси ln(dQ/d/). Затем, построив график функции QJ{ ~ e4>i-(yiQi jit)/q)] и проведя вычитание его из кривой Qit), получают новую зависимость, из которой по аналогичной схеме могут быть найдены параметры Q- и а- для ловушек со все большими сечениями захвата.

Одним из основных методов контроля дефектности МДП-структур, применяемых в условиях массового производства интегральных схем, является метод измерения напряжения пробоя V, поскольку он удовлетворяет большинству требований к методам контроля, используемым в современном производстве МДП-БИС. Измерения напряжения пробоя производятся в нормальньис условиях и могут быть сравнительно легко автоматизированы, средства измерения V могут работать в составе

автоматизированных систем контроля качества производства. Применение данного метода позволяет обеспечить экспрессность контроля, причем обработка экспериментальных данных не требует применения сложного математического аппарата. Достоинством измерения напряжения пробоя как метода контроля дефектности подзатворного диэлектрика является и то, что в этом случае получают количественную характеристику качества процесса получения диэлектрика МДП-БИС. Кроме того, результаты измерения V позволяют не только производить разбраковку структур, но и прогнозировать их надежность, что особенно важно при изготовлении схем специального назначения.

Одним из наилучших способов фиксирования напряжения пробоя, с точки зрения неразрушаемости, является определение напряжения пробоя при достижении током, идущим через структуру, определенной величины, также имеется возможность точно определять энергетическую нагрузку структуры. Измерение напряжения пробоя при этом производится для МДП-структур, содержащих грубые дефекты, оказывающие существенное влияние на ВАХ, на стадии развития пробоя, а для МДП-структур, не содержащих грубых дефектов, на участке ВАХ, соответствующем сильнополевой туннельной инжекции. Кроме того, данный способ позволяет менять уровень воздействия на структуру и может использоваться для создания определенных токовых перегрузок. Напряжение, измеренное таким способом, не является, строго говоря, напряжением пробоя структуры, поэтому оно в дальнейшем будет называться напряжением микропробоя. Этот термин применяется в отраслевьис стандартах, русскоязьиной патентной и научно-технической литературе. В англоязычной научно-технической литературе данный параметр называется leakage voltage , что в переводе означает напряжение, соответствующее заданному току утечки . При реализации других способов фиксирования напряжения пробоя энергия, вьщеляющаяся в тонкопленочном диэлектрике, определяется в основном свойствами исследуемых структур и в меньшей степени зависит от параметров измерительного устройства, что затрудняет обеспечение режимов неразрушающего контроля напряжения пробоя.

Наряду с дефектностью изоляции, которая оценивается распределениями структур по напряжению пробоя или микропробоя, в последнее десятилетие для оценки качества МДП-структур и технологических процессов их получения стали использовать такую характеристику, как зарядовая дефектность. Она оценивается по распределениям МДП-струк-тур по заряду, инжектированному в диэлектрик до пробоя образца, и



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка