Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-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


НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Моделирование зарядовой нестабильности

в условиях сильнополевой туннельной инжекции

и инжекционная модификация МДП-структур

В последние годы были разработаны несколько физико-математических моделей зарядовой деградации МДП-структур в условиях туннельной инжекции. Эти модели описьшают процессы накопления заряда в диэлектрике на основе механизмов захвата носителей, учитывающих новые данные о распределении электронов по энергии в диэлектрических пленках в сильных электрических полях, и позволяют проводить сравнение зарядовой стабильности МДП-структур с различной толщиной двуокиси кремния (в том числе и многослойных), учитывать влияние изменений характеристик центров захвата, локальных электрических полей. Применение таких моделей позволяет оптимизировать параметры МДП-систем применительно к конкретным структурам МДП-ИС и БИС в рамках действующих типовых технологических процессов, а также совершенствовать технологии получения диэлектрических слоев с целью повышения устойчивости схем к токополевым, электронным и ионизационным воздействиям.

Важным вопросом при моделировании процессов зарядовой деградации в МДП-системах на основе двуокиси кремния является определение механизма накопления положительного заряда в Si02, в качестве которого используются: ударная межзонная ионизация в Si02 с образованием электронно-дырочных пар и захватом дырок на ловушки в окисле; инжекция дырок из анода; ударная ионизация ослабленных связей Si-О и Si-Si; дрейф атомов и ионов водорода и др. Как показали проведенные исследования зарядовой нестабильности МДП-структур, в условиях сильнополевой туннельной инжекции носителей при электрических полях, больших 6,5 МВ/см, необратимая деградация границы раздела, рост плотности поверхностных состояний, заряда в диэлектрике и потеря работоспособности МДП-приборов происходят при плотности инжектированного заряда 5-10-* ...5- 10 Кл/см. В то же время пробой в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей наблюдается при инжекции заряда плотностью 10 ... 10 Кл/см. Поэтому наибольший интерес для практического использования явлений инжекции представляет моделирование деградационных процессов при плотности инжектированного заряда < 10 Кл/см. Основным механизмом накопления положительного заряда в Si02 в этом диапазоне инжектированного заряда является межзонная ударная ионизация [40, 41].

2. МАТЕРИАЛЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

В качестве примера рассмотрим более подробно модель зарядовой еградации МДП-структур с толщиной двуокиси кремния 10... 100 нм на начальном этапе инжекции заряда в диэлектрик, разработанную для многослойных структур и анализа процессов зарядовой деградации в локальных областях зарядовых дефектов, с аномальными характеристиками зарядовой нестабильности [43] .

В модели зарядовой деградации МДП-структуры с Si02 учитывались следующие механизмы изменения зарядового состояния диэлектрика: межзонная ударная ионизация в Si02 с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в оксиде, а также захват инжектированных электронов заполненными дырочньми ловушками; захват электронов на первичные электронные ловушки в 8102-Общее изменение напряжения на МДП-системе с Si02, обусловленное зарядовой деградацией при постоянном токе инжекции, равно:

где ДК и AV- изменения напряжения на МДП-структуре, обуслфиш-ные, соответственно, накоплением положительного заряда и зашатом электронов на первичные ловушки в 8102-

Изменение напряжения, обусловленное накоплением в оксиде положительного заряда, определяется:

88 о

где Хр - положение центроида положительного заряда, измеренное от границы 8i-Si02; р - плотность захваченных дырок.

Плотность захваченных дырок находится путем численного решения методом Рунге-Кутга дифференциального уравнения четвертого порядка:

q = J im- \)<3p{Np -р)- J o p ,

где Np - плотность нейтральных, существующих в исходном состоянии, дырочных ловушек; о, - сечение захвата дырок; о - сечение захвата электронов заполненными дырочными ловушками; (т - \) - коэффициент генерации дырок {т - коэффициент умножения электронов).

Сечение захвата электронов а имеет полевую зависимость о = Ь-Е~, где - параметр модели, Е - напряженность электрического поля в



диэлектрике (МВ/см). Коэффициент генерации дырок рассчитывался с использованием выражений, предложенных в [6]:

т~\=Р

где величины порогового поля еЦ, и коэффициента Распределяются как:

еЦ = е

Pmf=Poitox-td) + Px

tox-td

где - толщина слоя оксида.

Для толщины оксида > 30 нм параметры, входящие в выражения

Th и Pf, следующие: = 6,4 МВ/см; /=8,2 нм; /, = 1,56 нм; Ро = 9-10-3 нм-1; =3 нм.

При толщине Si02 < 30 нм : Е; = 3,8 МВ/см; 1,5 нм; /, = 21,6 нм; Ро - 0; Pj = 5,5 нм.

Изменение напряжения на МДП-структуре, обусловленное захватом электронов на первичные (существовавшие в исходном состоянии) ловушки Si02, определяется следующим выражением:

1 - ехр

где положение центроида заряда, измеренное от границы Si-Si02;

а, - сечение захвата первичных ловушек; Л, - плотность первичных электронных ловушек.

На основе рассмотренной модели зарядовой деградации МДП-структур Si-SiOj-Al в [43] бьша предложена модель зарядовой нестабильности МДП-структур с двухслойным диэлектриком 8102-ФСС, в которой наряду с процессами зарядовой нестабильности в двуокиси кремния учитывался также захват электронов на ловушки в ФСС.

Общее изменение напряжения на МДП-структуре 81-5Ю2-ФСС-А], обусловленное зарядовой дефадацией, при постоянном токе инжекции описывается следующим выражением:

АК=ДК + А1. + ДК

где Vpg

- изменение напряжение на МДП-структуре, обусловленное захватом элекфонов на ловушки в ФСС.

Поскольку, согласно экспериментальным данным, за накопление отрицательного заряда в пленке ФСС ответственны электронные ловушки двух типов с различными сечениями захвата, то изменение напряжения на МДП-структуре в результате захвата электронов в пленке ФСС определяется как:

1-ехр

1 - ехр

ще N I и Npg2 плотности электронных ловушек первого и второго вида; и а,2 ~ сечения захвата ловушек первого и второго вида;

X - положение центроида офицательного заряда в ФСС, измеренное

от фаницы Si-SiOj.

Электроны туннелируют сквозь потенциальный барьер и под действием электрического поля перемещаются к аноду, при этом часть высокоэнергетических электронов участвует в межзонной ударной ионизации, генерируя дырки, образующие положительный заряд. Часть инжектированных электронов захватывается на электронные ловушки в Si02 и ФСС. Положительный заряд локализуется вблизи фаницы раздела Si- Si02 на расстоянии = 5 нм. Предполагая, что первичные ловушки расположены равномерно в объеме диэлектрика, считаем, что ценфоид заряда, обусловленного захватом электронов на эти ловушки Х располагается в середине слоя диэлектрика. Заряд электронов, захваченных ловушками в ФСС, локализуется на расстоянии Х от фаницы раздела полупроводник-диэлектрик.

В результате зарядовой дефадации электрическое поле в объеме диэлектрика становится неоднородным. Накопление офицательного заряда захваченных электронов в пленке ФСС достаточно большой плотности ~10 Кл/см вызывает резкое возрастание анодного электрического поля в пленке ФСС. Так как процесс межзонной ударной ионизации имеет полевую зависимость, то присутствие сильного электрического поля в ФСС требует отдельного рассмотрения вопроса о генерации дырок в слое ФСС. Для выяснения данного вопроса и проверки рассматриваемой модели на соответствие результатам эксперимента бьшо проведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей напряжения сдвига вольт-амперных характеристик AVj систем Si-Si02-Al и Si-8102-ФСС-А1, изготовленньгх в одном технологическом цикле.



На рис. 2.11 приведены экспериментальные (изображенные значками) и расчетные (сплошные линии) зависимости напряжения на МДП-структурах Si-SiOj-OCC-Al (кривые 1, 2, 3, 7, 8, 9) и Si-SiOj-Al (кривые 4, 5, 6) от заряда, инжектированного в диэлектрик, для различных амплитуд токовых воздействий. При моделировании параметры модели накопления зарядов в SiOj и ФСС определялись из экспериментальных зависимостей, показанных на данном рисунке.

Если параметры межзонной ударной ионизации в ФСС принимшшсь равными параметрам в SiOj, то расчетные кривые (7, 8, 9) для структур 81-8102-ФСС-А1 значительно отличались от экспериментальных. Это указывает на то, что в слое ФСС, напряженность электрического поля в котором достигает 11 МВ/см, должно наблюдаться существенное ослабление генерации дырок межзонной ударной ионизацией. Это может быть связано с изменением распределения горячих электронов по энергии в пленке ФСС, по сравнению с SiOj, и, как следствие, уменьшением вероятности протекания процесса межзонной ударной ионизации в ФСС, а также с уменьшением времени жизни дырок в ФСС. На основе сопоставления результатов численного моделирования с экспериментальными зависимостями была проведена оценка порогового поля ударной ионизации в ФСС, характеризующая напряженность электрического поля в диэлектрике, при которой в распределении электронов по энергии появляются высокоэнергетические хвосты с энергией большей ширины запрещенной зоны Si02 [43]. Для совпадения результатов расчета с экспериментальными данными пороговое поле ударной ионизации в ФСС должно быть > 9,8 МВ/см (см. рис. 2.11, кривые 1, 2, 3).

Анализ модели зарядовой деградации и сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждают, что при сильнополевой инжекции электронов из кремния импульсами постоянного тока полевая зависимость кинетики изменения напряже-


Рис. 2.11. Зависимости напряжения сдвига ВАХ МДП-систем от инжектированного в диэлектрик заряда при различных плотностях тока, Л/см:

1, 4, 7 - 10-; 2, 5, 8 - Ю ; 3, 6, 9 - \(Г

ния на МДП-структуре 51-8102-ФСС-А1 обусловлена накоплением положительного заряда в пленке двуокиси кремния.

На основе рассмотренных моделей зарядовой нестабильности МДП-структур были разработаны модели, позволяющие исследовать процессы зарядовой нестабильности в локальных областях, в том числе и субмикронных размеров, обладающих аномальными характеристиками.

Анализ результатов работ, связанных с инжекцией носителей в сильных электрических полях по Фаулеру-Нордгейму, и исследование аналитических моделей зарядового состояния МДП-структур [43] показали, что инжекция носителей может применяться не только как метод ускоренных испытаний, но и как процесс, позволяющий целенаправленно изменять электрофизические параметры МДП-структур, т. е. осуществлять модификацию их свойств.

Модификация параметров двуокиси кремния с использованием различных методов является одним из основных направлений совершенствования характеристик диэлектрических слоев. Используя воздействия различного вида, такие как ионноплазменные, радиационные, магнито-импульсные, сильнополевые, лазерные, рентгеновские, ультрафиолетовые и др., можно целенаправленно изменять свойства диэлектрических слоев, улучшая те или иные параметры.

Специальные виды воздействий применяются не только для направленного изменения электрофизических свойств МДП-структур, но и для выявления дефектов диэлектрика и границы раздела диэлектрик-полупроводник, в том числе и зарядовых. Установлено, что воздействие импульсным магнитным полем (амплитуда 0,1...0,2 МА/м, длительность импульса 30 мкс) в течение 20 с позволяет существенно, почти в три раза повысить плотность зарядовых дефектов, выявляемую с помощью гистограмм зарядовой стабильности. Кроме того, воздействие импульсным магнитным полем вызывает у МДП-структур появление достаточно больших флуктуации плотности заряда в диэлектрике. Эти флуктуации наиболее значительны в области микродефектов, характеризующихся повышенной концентрацией напряженных Si-Si и Si-0 связей у Фаницы раздела Si-Si02.

Для отбраковки потенциально ненадежных МДП-структур применяется также радиационно-термическая обработка, заключающаяся в воздействии на образцы гамма-квантов Со° дозой в несколько десятков крад и с последующей термообработкой при температурах 150...200°С. Облучение гамма-квантами активизирует процессы зарядовой нестабильности в областях дефектов и повышает количество выявляемых дефек-



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