Зарядовой нестабильности

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 /0. 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 деградации. 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-1 вой деградации диэлектрика. На следующем участке полярность токовой нагрузки изменяют на противоположную и начинается перезарядка МДП-структуры (см. рис. 2.8, . участок 6). Емкость МДП-структуры 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 позволя-Рис. 2.8. Временные зависимости токов и напря- ЮТ определять, С ИСПОЛЬЗОва-жений в методе управляемой токовой нагрузки НИ6М рассмотренных М6ТОДИК,

Такой способ получения ВФХ и ВАХ характеристик, в рамках одного метода, позволил контролировать параметры зарядовой деградации 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.

заряда при постоянном напряжении требуется меньшее время, по сравнению с режимом постоянного тока. Режим инжекции заряда постоянным напряжением для МДП-структур с SiO2 является более жестким поскольку он приводит к большей зарядовой деградации диэлектрика и увеличивает вероятность пробоя структуры.

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 SiO2 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 SiO2 и на границе Si—SiO2. Г. Гэдияном предложена теоретическая модель для описания поведения водорода при инжекции электронов из контактов в тонких пленках SiO2 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 • 10~3 Кл/см2.

Одновременно с накоплением в пленке SiO2 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 деградации являются одни и те же структурные нарушения в пленке двуокиси кремния у границы Si—SiO2, что происходит, в основном, под влиянием электронных процессов, которые стимулируются действием электрического поля, вызывающего инжекцию заряда в диэлектрик.

Заключительной стадией зарядовой деградации МДП-систем при высокополевой инжекции заряда является пробой подзатворного диэлектрика. В результате многочисленных исследований было установлено, что определяющей причиной, приводящей к пробою диэлектрической пленки, является накопление в SiO2 положительного заряда. На базе данного

В последние годы были разработаны несколько физико-математических моделей зарядовой деградации МДП-структур в условиях туннельной инжекции. Эти модели описывают 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 SiO2, в качестве которого используются: ударная межзонная ионизация в SiO2 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 5-10~4 ...5- КГ3 Кл/см2. В то же время пробой в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей наблюдается при инжекции заряда плотностью КГ'-.ЛО Кл/см . Поэтому наибольший интерес для практического использования явлений инжекции представляет моделирование деградационных процессов при плотности инжектированного заряда < 10~3 Кл/см2. Основным механизмом накопления положительного заряда в SiO2 в этом диапазоне инжектированного заряда является межзонная ударная ионизация [40, 41].

В качестве примера рассмотрим более подробно модель зарядовой деградации 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 SiO2 учитывались следующие механизмы изменения зарядового состояния диэлектрика: межзонная ударная ионизация в SiO2 с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в оксиде, а также захват инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками; захват электронов на первичные электронные ловушки в SiO2. Общее изменение напряжения на МДП-системе с SiO2, обусловленное зарядовой деградацией при постоянном токе инжекции, равно:

На основе рассмотренной модели зарядовой деградации МДП-струк-тур Si—SiO2—A1 в [43] была предложена модель зарядовой нестабильности МДП-структур с двухслойным диэлектриком SiO2—ФСС, в которой наряду с процессами зарядовой нестабильности в двуокиси кремния учитывался также захват электронов на ловушки в ФСС.

Далее основное внимание при рассмотрении проблем повышения качества материалов, структур и технологических процессов МДП-БИС будет отведено физическим процессам и явлениям, протекающим в сильных электрических полях, в том числе и при инжекции носителей, а также будут систематизированы основные данные о сильнополевой туннельной инжекции в МДП-структурах, о процессах зарядовой нестабильности, о дефектности и механизмах накопления зарядов в диэлектрических слоях МДП-структур, применительно к инжекционным методам модификации, исследования и контроля, что позволило бы более объективно показать их возможности, особенности применения и интерпретации получаемых результатов.

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.

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.

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-

Главным механизмом, определяющим зарядовую деградацию пленки SiO2 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 SiO2. 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-

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 Si—SiO2~ФСС от толщины слоя ФСС еще до конца не исследованы.

Таким образом, неоднозначность приводимых в литературе экспериментальных данных, характеризующих зарядовую деградацию МДП-си-стем 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-SiO2, и на широкое использование данных систем в микроэлектронике в качестве подзатворных диэлектриков, до настоящего времени отсутствует физико-математическая модель зарядового состояния системы Si—SiO2, 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.

Моделирование зарядовой нестабильности

Важным вопросом при моделировании процессов зарядовой деградации в МДП-системах на основе двуокиси кремния является определение механизма накопления положительного заряда в SiO2, в качестве которого используются: ударная межзонная ионизация в SiO2 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 5-10~4 ...5- КГ3 Кл/см2. В то же время пробой в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей наблюдается при инжекции заряда плотностью КГ'-.ЛО Кл/см . Поэтому наибольший интерес для практического использования явлений инжекции представляет моделирование деградационных процессов при плотности инжектированного заряда < 10~3 Кл/см2. Основным механизмом накопления положительного заряда в SiO2 в этом диапазоне инжектированного заряда является межзонная ударная ионизация [40, 41].

В качестве примера рассмотрим более подробно модель зарядовой деградации 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] .

На основе рассмотренной модели зарядовой деградации МДП-струк-тур Si—SiO2—A1 в [43] была предложена модель зарядовой нестабильности МДП-структур с двухслойным диэлектриком SiO2—ФСС, в которой наряду с процессами зарядовой нестабильности в двуокиси кремния учитывался также захват электронов на ловушки в ФСС.

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.