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

ных 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. Он локализован у границы раздела Si-Si02. Этот заряд не уничтожается электронами, захватываемыми в оксиде, 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. Достаточно широко используется модель, основанная на явлении межзонной ударной ионизации. Предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны, попадая в зону проводимости, по мере своего движения могут достичь энергии, равной или бульшей 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 прикатодной области положительный заряд. Однако образование положительного заряда в тонких диэлектрических пленках, в электрических полях <6 МВ/см и недостаточных для возникновения межзонной ударной ионизации, потребовало привлечения других теоретических моделей, объясняющих генерацию положительного заряда.

В работах М.Фишетти была предложена модель, в которой предполагается, что инжектированные в диэлектрик электроны вызывают возбуждение электронно-дырочной подсистемы SiOj, в результате чего в ней могут происходить структурные изменения, 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 наличия 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 SiOj. Причем инжекция дырок может происходить за счет возбуждения дырочной подсистемы под действием облучения светом и снижения высоты потенциального барьера для туннелирования дырок из кон-

тактов. Появление дырок в двуокиси кремния в сильных электрических полях связывается также с их генерацией в результате взаимодействия инжектированных электронов с анодной границей раздела.

Важную роль как в процессе роста термической двуокиси кремния, так и в процессе зарядовой деградации МДП-систем в условиях сильнополевой туннельной инжекции играет водород. В процессе формирования оксида водород устраняет дефектные состояния в объеме SiOj и на границах раздела, насыщая оборванные связи кремния или кислорода. Инжектированные и разогретые 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 Si02 и на границе Si-Si02. Г.Гэдияном предложена теоретическая модель для описания поведения водорода при инжекции электронов из контактов в тонких пленках Si02 в сильных полях, учитывающая создание ловушек за счет выбивания горячими электронами водорода с оборванных связей SiO и Si 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 заряда > 5- 10 Кл/см.

В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований деградационных явлений в двуокиси кремния [40, 41] получены новые данные о распределении горячих электронов в Si02 по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в двуокиси кремния. На рис. 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 [40] предложена теория сильнополевого переноса электронов и ударной ионизации в двуокиси кремния. Согласно этой теории, за сильнополевую деградацию пленок SiOj ответственны два основных механизма. Первый механизм заключается в создании в оксиде ловушек и появляется, когда электрон с энергией больше чем 2 эВ (относительно дна зоны проводимости оксида) освобождает водород из состояний дефектов около анодной границы раздела [41]. Затем этот водород может перемещаться к границе катод-оксид и генерировать поверхностные состояния. Данный механизм становится заметным после инжекции заряда > 10 Кл/см.

Второй механизм заключается в том, что при туннельной инжекции электронов по Фаулеру-Нордгейму в полях больше 6,5 МВ/см при тол-



щине оксида больше 30 нм на энергетическом распределении горячих электронов появляются высокоэнергетические хвосты, способные генерировать дырки межзонной ударной ионизацией [40]. 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.

Одновременно с накоплением в пленке Si02 положительного заряда начинает возрастать плотность поверхностных состояний. Многочисленные исследования данного явления показали, что увеличение плотности поверхностных состояний и генерация положительного заряда тесно взаимосвязаны. В работах М.Фишетти также предполагается, что ответственным за оба процесса зарядовой дсфадации являются одни и те же структурные нарушения в пленке двуокиси кремния у границы Si-Si02, что происходит, в основном, под влиянием электронных процессов, которые стимулируются действием электрического поля, вызьтаюшего инжекцию заряда в диэлектрик.

Заключительной стадией зарядовой дефадации МДП-систем при высокополевой инжекции заряда является пробой подзатворного диэлектрика. В результате многочисленных исследований было установлено, что оп-ределяюшей причиной, приводящей к пробою диэлектрической пленки, является накопление в Si02 положительного заряда. На базе данного

факта развиты несколько теоретических моделей, позволяющих детально описать пробой Si02. Так, в модели, предложенной К.Ченом и К. By, оксид 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 оксида. 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

п, отн. ед.


Энергия, ЭВ

Рш. 2.10. Распределение электронов по энергии в диэлектрической пленке толщиной 50 нм для различных напряжен-ностей электрических полей, МВ/см: 1 - П; 2 - 9; 3 ~ 1; 4 - 5

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 К.Ченом и К.By, 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.

Е.Авни и Д.Шаппиром предложена другая модель пробоя, предполагающая, что при достижении пороговой плотности генерированных нейтральных ловушек у анода происходит усталостный электрический пробой через новые каналы проводимости. Модели пробоя термических пленок Si02 на кремнии в настоящее время находятся в стадии экспериментальной проверки, постоянно корректируются и дополняются.

Захват электронов на ловушки в двуокиси кремния слабо зависит от напряженности электрического поля и определяется зарядом, инжектированным в диэлектрик. В течение всего процесса инжекции в термических пленках Si02 наблюдается захват электронов на ловушки. При инжекции в диэлектрик заряда до 10 Кл/см в основном превалирует захват на существующие в оксиде ловущки. При продолжении процесса инжекции больше 10 Кл/см электронный захват начинает определяться вновь образующимися ловушками.

Генерация электронных ловушек, наряду с генерацией положительного заряда, является ключевым фактором, определяющим дефадацию и пробой оксида. 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 оксид.

Можно выделить три основные модели образования электронных ловушек [36]: модель генерации дырок из анода, электрохимическую модель и модель высвобождения водорода.

Согласно первой модели электроны, инжектированные в оксид сильным электрическим полем или с помощью фотоинжекции, ускоряются полем в оксиде и взаимодействуют с анодом. При этом взаимодействии вьщеляется энергия, достаточная для генерации дырок из анода. Дырки, двигаясь в оксиде к катоду, вызывают появление нейтральных элек-



тронных ловушек, на это указывает взаимосвязь потока дырок и генерации электронных ловушек.

В электрохимической модели само электрическое поле непосредственно вызывает появление электронных ловушек, и процессы, обусловленные вьщелением энергии на аноде, не связаны с генерацией ловушек Механизм образования электронных ловушек в данной модели основан на взаимодействии диполей в оксиде с электрическим полем.

Модель высвобождения водорода, которая уже частично рассматривалась выше, основана на том, что инжектированные посредством туннелирования в оксид электроны достигают анода с энергией, достаточной для высвобождения водорода у анодной границы. Диффундируя сквозь оксид, освободившийся водород создает электронные ловушки. Преимущество этой модели в том, 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 МДП-систем с двухслойным диэлектриком Si02-OCC (фосфор-но-силикатное стекло) зарядовая деградация при инжекционных нагрузках имеет ряд принципиальных отличий. При сильнополевой инжекции заряда в полях 7...8 МВ/см наблюдается накопление отрицательного заряда, которое связывается с захватом инжектированных электронов на границе Si02-OCC или в самой пленке ФСС. 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 вплавлении Р2О5 в тетраэдрическую решетку двуокиси кремния. Число положительно заряженных групп может составлять около 1 % от числа атомов кремния в SiOj- В других работах отмечается, что воздействие полярных молекул PCI3 и POCI3 в процессе получения пленки ФСС на решетку Si02 может привести к разрыву химических связей между тетраэдрами и, как следствие, появлению электронных ловушек, локализованных на границе раздела Si02-ФСС. Появление электронных ловушек в слоях двуокиси кремния, в которые фосфор вводился ионной имплантацией, связывалось также с образованием связей P-Si.

При увеличении электрических полей > 9 МВ/см в двухслойном диэлектрике Si02-ФСС происходит смена механизма образования отрицательного заряда на генерацию положительного. Данное явление не на-

шло однозначного объяснения. В одних работах оно объяснялось усиливающейся ролью ударной ионизации дырок в Si02 при увеличении поля в других - взаимодействием горячих электронов с энергетическими >ровнями дефектов в запрещенной зоне Si02, образованием положительно заряженных E-центров, перемещающихся в направлении границы раздела Si-Si02

В МДП-системах с большей толщиной ФСС наблюдается при одном и том же заряде, инжектированном в диэлектрик, меньшее возрастание плотности поверхностных состояний на границе Si-Si02. Этот эффект связывался с влиянием пассивации двуокиси кремния на межфазовую границу раздела Si-SiOj. Однако механизм такого влияния предложен не бьш.

В [42] приведены результаты исследования влияния толщины пленки ФСС на накопление отрицательного заряда для толщины 1...16 нм. Показано, что с ростом толщины происходит увеличение плотности отрицательного заряда, накопленного при туннельной инжекции. Однако зависимости процессов зарядовой нестабильности системы 81-8102-ФСС от толщины слоя ФСС еще до конца не исследованы.

Накопление отрицательного заряда в МДП-структурах с двухслойным диэлектриком 8102-ФСС вносит существенные коррективы в модели пробоя, развитые для термических пленок SiOj. Во-первых, необходимо учитывать перераспределение электрических полей внутри диэлектрика. Во-вторых, наличие пленки ФСС может существенно изменить кинетику накопления положительного заряда в пленке Si02.

Таким образом, неоднозначность приводимых в литературе экспериментальных данных, характеризующих зарядовую деградацию МДП-систем на основе двуокиси кремния при инжекционных нагрузках, затрудняет их анализ и создание общей теоретической модели, описывающей эти процессы. Исследования в данной области находятся лишь в стадии накопления экспериментальных данных и разработки модельных представлений. Несмотря на обилие работ, посвященных экспериментальным исследованиям зарядовой нестабильности и определению механизмов накопления зарядов в системе Si-SiOj, и на широкое использование данных систем в микроэлектронике в качестве подзатворных диэлектриков, до настоящего времени отсутствует физико-математическая модель зарядового состояния системы Si-SiOj, учитывающая в полной мере основные механизмы захвата носителей в двуокиси кремния, положения центроидов зарядов, напряженности локальных электрических полей, миграцию атомов и ионов водорода и т.д.



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