позволяет определить наличие в МДП-структурах локальных областей с аномально низкой зарядовой стабильностью, которые делают их потенциально ненадежными.

Метод контроля дефектности зарядовой стабильности по заряду, инжектированному в диэлектрик до пробоя, позволяет выявлять МДП-структуры с локальными неоднородностями, обусловленными повышенной зарядовой нестабильностью. Данные дефекты могут определяться как локальным повышением плотности тока в области дефекта, так и аномальными характеристиками накопления зарядов в диэлектрике: сечениями захвата носителей; концентрацией электронных и дырочных ловушек. Однако этот метод контроля заряда не позволяет оценивать характеристики структур, имеющих дефекты изоляции, оказывающие существенное влияние на ВАХ МДП-структур. Такие структуры будут иметь минимально фиксируемый заряд, инжектированный до пробоя, независимо от параметров дефектов изоляции.

Различная направленность методов контроля диэлектрических слоев приводила к тому, что значительная доля структур с дефектами, ухудшающими изолирующие свойства, и с локальной повышенной нестабильностью зарядов диэлектрика выпадала из рассмотрения. Бьшо затруднено сопоставление, а следовательно, и интерпретация результатов контроля, полученных различными методами. Причем в большинстве случаев параметры дефектности изоляции и зарядовой стабильности не могли быть определены на одной и той же структуре.

Данные трудности могут быть сняты, если исследовать явления дефектности изоляции и зарядовой стабильности с использованием одного метода, позволяющего оценивать как характеристики дефектов, ухудшающие изолирующие свойства, так и процессы зарядовой нестабильности и комплексно характеризовать МДП-структуру.

В качестве такого метода применяется сильнополевая туннельная инжекция заряда в диэлектрик, проводимая в режиме постоянного тока. В отличие от лавинной, режимы туннельной инжекции не зависят от характеристик области пространственного заряда полупроводника и определяются только параметрами границ раздела и самого диэлектрика. Использование туннельной инжекции позволяет точно дозировать ин-жекционную нагрузку структур и не требует создания специальных структур с инжекторами, т.е. она может проводиться в процессе формирования подзатворного диэлектрика до проведения металлизации.

Для реализации единого подхода к контролю дефектности изоляции и дефектности зарядовой стабильности бьш разработан метод управляемой

токовой нагрузки, основанный на анализе временной зависимости напряжения на МДП-структуре при подаче на нее токовой нагрузки [39]. Данный метод основан на распространении возможностей метода контроля дефектности диэлектрических слоев по измерениям напряжения микропробоя на участок сильнополевой туннельной инжекции ВАХ, реализации измерения напряжения микропробоя в рамках метода инжекции заряда в диэлектрик импульсом постоянного тока и расширения информативности данного метода в области низких и высоких полей.

Временные диаграммы токов и напряжений в предлагаемом методе приведены на рис. 2.8 ( - емкостной ток; 4 - ток инжекции). Первоначально МДП-структуру заряжают импульсом постоянного тока, переводя ее в состояние аккумуляции или глубокой инверсии (см. рис. 2.8, участок /). Затем полярность токового импульса изменяют на противоположную и структура начинает перезаряжаться (см. рис. 2.8, участок 2). На этом участке из временной зависимости напряжения на структуре Vj (О можно получить зависимость емкости от напряжения, которая будет являться низкочастотной вольт-фарадной характеристикой.

Емкость МДП-структуры будет обратно пропорциональна производной временной зависимости напряжения на структуре от времени. При заряде МДП-структуры импульсом постоянного тока /q временная зависимость поверхностного потенциала ф(1) будет описываться выражением:

Ф5(х)= К,(х) - /оС,-1-х + Л, (2.2)

где X - время; С- - емкость диэлектрика; А - постоянная интегрирования, определяемая так же, как в методе низкочастотных ВФХ.

Использование (2.2) позволяет получить зависимость поверхностного потенциала от напряжения на структуре без применения интегрирования, необходимого для метода низкочастотных ВФХ. Из зависимости напряжения на структуре от времени может быть также определена дифференциальная плотность поверхностных состояний.

Применение известных методик нахождения параметров МДП-струк-тур по низкочастотным ВФХ позволяет определить при заряде МДП-структуры постоянным током в области низких полей: напряжение плоских зон, напряжение инверсии, эффективный заряд диэлектрика, емкость диэлектрика, толщину диэлектрической пленки.

В области сильных электрических полей (см. рис. 2.8, участок 3), когда начинается инжекция заряда в диэлектрик, учет заряда емкости

МДП-структуры позволил значительно расширить возможности метода постоянного тока. Из зависимости напряжения на структуре от времени определяются временные зависимости заряда, инжектированного в диэлектрик, и туннельного тока на всех этапах инжекции от стадии заряда емкости МДП-структуры до пробоя образца. Из временных зависимостей тока инжекции и напряжения на образце может быть получена ВАХ на участке туннельной инжекции, из которой при построении ее в координатах Фаулера-Нордгейма можно определить высоту потенциального барьера на инжектирующей границе раздела и толщину диэлектрика. Минимальный уровень тока полученной ВАХ ограничен точностью измерений, а максимальный - значением /q. Из временных зависимостей напряжения на МДП-структуре на стадии инжекции, когда весь ток, пропускаемый через образец, является током инжекции, определяют сечения захвата зарядовых ловушек, изменение эффективного заряда диэлектрика, заряд, инжектированный до пробоя. В области высоких полей определяется также напряжение микропробоя.

Далее осуществляется инжекция в диэлектрик требуемой величины заряда, а изменение напряжения на МДП-структуре (см. рис. 2.8, участок 4) характеризует явления зарядовой дефадации. Затем проводится ступенчатое уменьшение амплитуды токового воздействия (см. рис. 2.8, участок 5). В результате удается измерить ВАХ сразу после сильнополевого воздействия и получить

/ более полную картину зарядо-

а вой дефадации диэлектрика. На следующем участке полярность токовой нафузки изменяют на противоположную и начинается перезарядка МДП-структуры (см. рис. 2.8, Q участок 6). Емкость МДП-сфуктуры начинает разряжаться током постоянной величины. Временные зависимости * напряжения на структуре в области высоких и низких полей (см. рис. 2.8, участок 7) при разряде емкости позволяют определять, с использованием рассмотренных методик.

Рис, 2.8. Временные зависимости токов и напряжений в методе управляемой токоюй нафузки

те же парамефы МДП-сфуктуры, что и при заряде емкости. Это дает возможность оценить изменение характеристик МДП-сфуктур под действием туннельной инжекции в одном измерительном цикле.

Такой способ получения ВФХ и ВАХ характеристик, в рамках одного метода, позволил контролировать параметры зарядовой дефадации сразу после туннельной инжекции, снизив влияние релаксационных процессов. Последующая реализация предложенного алгоритма при противоположной полярности токовых воздействий позволяет определить плотность, сечение захвата зарядовых ловушек и положение центроида заряда в диэлектрике.

При применении метода сильнополевой туннельной инжекции в режиме постоянного тока подзатворный диэлектрик характеризуется совмещенными гистофаммами распределения сфуктур по напряжению микропробоя V и по заряду, инжектированному в диэлектрик Qff (рис. 2.9).

Гистофаммы распределения сфуктур по заряду, инжектированному до пробоя, построены для МДП-структур из главного пика гистофаммы распределения по напряжению микропробоя. Посфоение таких совмещенных гистофамм наглядно показывает как характеристики дефектности изоляции диэлектрика МДП-сфуктур, так и характеристики дефектности зарядовой стабильности и комплексно характеризуют качество подзатворного диэлектрика.

Туннельная инжекция заряда в диэлектрик может осуществляться как в режиме постоянного тока, так и в режиме постоянного напряжения. В первом случае в процессе инжекции постоянным остается катодное элек-фическое поле, а во втором -анодное. Поскольку на процес- длу/у сы накопления зарядов диэлектрика существенное влияние оказывают локальные электрические поля и их изменение в о,4 ходе инжекции, то в общем случае изменение зарядового 0-2 состояния диэлектрика должно

зависеть от режима инжекции о 260 Too 140 в

носителей. В МДП-сфуктурах с

Si02 сильных электрических Совмещенные гистофаммы распре-

полях для инжекции в диэлект- f МДП-структур по напряжению мик- iVMJiji в дмолск! ропробоя И по заряду, инжектированному до Рик одной и той же величины пробоя

заряда при постоянном напряжении требуется меньшее время, по сравнению с режимом постоянного тока. Режим инжекции заряда постоянным напряжением для МДП-структур с Si02 является более жестким поскольку он приводит к большей зарядовой деградации диэлектрика и увеличивает вероятность пробоя структуры.

При сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик МДП-структур содержащий электронные ловушки, например ЗЮз-ФСС (фосфорно-силикатное стекло), в режиме постоянного напряжения наблюдается меньшая полевая зависимость напряжений сдвига ВАХ, чем в режиме постоянного тока. Следовательно, режим постоянного тока для таких структур является более жестким по сравнению с режимом постоянного напряжения, в то же время использование этого режима позволяет в несколько раз уменьшить время проведения инжекционных исследований. Однако особенности режимов инжекции заряда в диэлектрик в настоящее время не всегда учитываются при проведении инжекционных исследований и интерпретации полученных результатов.

Из проведенного анализа сильнополевой туннельной инжекции в МДП-структурах следует, что из ВАХ и временных зависимостей напряжения на структурах могут быть определены: высота потенциального барьера на инжектирующей границе раздела; толщина диэлектрика; положение центроида заряда диэлектрика; плотность захваченного заряда; сечения захвата электронных или дырочных ловушек. Важной отличительной чертой сильнополевой туннельной инжекции заряда в диэлектрик является то, что она позволяет оценивать как изолирующие характеристики диэлектрических слоев, так и зарядовые. Это дает возможность при использовании сильнополевой туннельной инжекции в исследованиях и контроле инжекционностойких диэлектрических пленок в МДП-системах осуществить единый подход к изучению дефектности изоляции и дефектности зарядовой стабильности.

Процессы деградации МДП-систем в сильных электрических полях

Сильные электрические поля, туннельная инжекция носителей оказывают существенное влияние на зарядовое состояние МДП-структур. Повышение интереса к исследованию процессов зарядовой нестабильности МДП-структур в условиях инжекции носителей в настоящее время связано с тем, что с повышением степени интеграции МДП-БИС происходит уменьшение длины каналов и толщины подзат-

ворного диэлектрика интегральных МДП-транзисторов. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-структурах, связанных с влиянием сильных электрических полей.

Сильнополевая инжекция заряда в подзатворный диэлектрик МДП-структур сопровождается их постепенной деградацией, заканчивающейся пробоем диэлектрика. Инжекционная деградация является одной из основных причин отказов полупроводниковых приборов с МДП-струк-турой, работающих в критических режимах - при повышенных напряжениях, в условиях лавинной или туннельной инжекции, ионизирующего облучения, импульсного магнитного поля и т. д. Все это обусловливает повышенное внимание, уделяемое в последнее время изучению процессов инжекционной деградации в МДП-системах.

При деграцации МДП-систем с термической Si02 в качестве диэлектрика при сильнополевой инжекции заряда наблюдается, как правило, захват заряда в оксиде, возрастание концентрации поверхностных состояний, изменение генерационно-рекомбинационных характеристик поверхности кремния и т.д. В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований установлено, что при протекании тока туннельной инжекции наблюдаются следующие основные процессы: происходит захват электронов на уже существующие и вновь создаваемые ловушки; наблюдается накопление положительного заряда; возрастает плотность поверхностных состояний.

Главным механизмом, определяющим зарядовую деградацию пленки Si02 при сильнополевой туннельной инжекции, является накопление в ней положительного заряда. Изучению данного заряда посвящено большое количество работ, 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. Считается, что положительный заряд локализован у границы раздела, в то время как другие авторы предполагают, что положительный заряд накапливается в объеме Si02. С другой стороны, факторами, усложняющими анализ экспериментальных данных, являются захват электронов на ловушки, протекающий одновременно с генерацией положительного заряда, и увеличение плотности поверхностных состояний. В результате, параметры и характеристики положительных зарядов, наблюдавшихся в различ-