Материал: Физика деградационных процессов в компонентах МОП СБИС. Акулинин С.А., Минаков С.А

они образуют положительный заряд, который дает первый поворот графика напряжения середины запрещенной зоны. Третьи ловушки являются акцептороподобными ловушками с малым поперечным сечением, они образуют отрицательный заряд, который дает второй поворот напряжения середины запрещенной зоны. Основываясь на уравнении первого порядка, образование заряда NT идет по следующему закону

NT =N1exp(–ninj 1) – NTRexp(–ninj TR)+N2exp(–ninj 2) + C, (27)

где Nj (j=1,2) – плотность акцептороподобных ловушек; j – их поперечное сечение генерации; NTR – плотность донороподобных ловушек, обуславливающих эффект аномального положительного заряда; TR – поперечное сечение генерации; С – базовая константа.

Отмечено четыре экспериментально наблюдаемые корреляции между генерацией ловушек при аномального эффект положительного заряда и пиком донорных поверхностных состояний. Это подтверждает, что химическая причина у них одна и та же.

1)Соотношение между поперечными сечениями генерации примерно равно единице для всех исследованных МОП структур.

2)Величина напряжения середины запрещенной зоны при повороте характеристики (around effect) больше в МОП структурах с большей плотностью пиковых донорных поверхностных состояний.

3)Явление эффекта поворота характеристики не наблюдается при низких температурах (< 250 K). Генерация поверхностных состояний в течение лавинной инжекции электронов также очень мала при низких температурах.

4)Явление эффекта поворота характеристики не наблюдается при высоких температурах ( > 350 K). Образование поверхностных состояний также очень мало при высоких температурах.

Напряжение плоских зон медленно изменяется в отрицательную сторону при отрицательном смещении и медленно

31

изменяется в положительном направлении при положительном смещении. Эта нестабильность напряжения плоских зон связана с переносом заряда между донороподобными медленными состояниями и зоной проводимости и валентной зоной кремния в поверхностном слое пространственного заряда через быстрые поверхностные состояния. Донороподобные медленные состояния и донороподобные ловушки, вызывающие эффект поворота, по-видимому имеют в основе тот же самый физический комплекс.

1.3. Физико-химические модели активных дефектов в диэлектрике и на границе раздела Si-SiO2

Модель немостикового кислорода. В этой модели пиковые донорные поверхностные состояния представляют собой немостиковый кислород Si–O на границе раздела Si–SiO2. На первой стадии лавинно-инжектированные горячие электроны генерируют пиковые донорные поверхностные состояния разрывом многих существующих связей SiO–H на границе раздела Si–SiO2

32

ская реакция может включать разрыв напряженных связей вблизи границы Si–SiO2

Si–O–Si + e* Si–O+ Si+ eSi.

Лавинно инжектированные горячие электроны также освобождают атомарный водород в окисле или на границе Al– SiO2. Атомарный водород мигрирует через окисел и достигает границы раздела Si–SiO2.

На второй стадии атомарный водород реагирует с немостиковым кислородом и образует связь SiO–H, что уменьшает плотность пиковых поверхностных состояний

SiO+H SiO–H.

Эта модель согласуется с наблюдаемым уменьшением плотности поверхностных состояний после постметаллизационного отжига в форминг-газе и наблюдается кинетика отжига второго порядка пиковых донорных поверхностных состояний. Возможная реакция отжига следующая

2(SiO ) +H2 2(SiO ) +H+ H 2(SiO–H).

Модель водородно-дефектного комплекса. Реакция формирования следующая

X+ H X–H.

Здесь X– электрически неактивный локальный дефект. Электрически активные пиковые донорные поверхностные состояния – X–H. Эта модель учитывает малую начальную задержку в генерации пиковых донорных поверхностных состояний, так как здесь перенос атомарного водорода через окисел дает задержку по времени. Атомарный водород достигает границы раздела и проникает в слой поверхностного заряда кремния. Эта модель учитывает меньшую начальную задержку в генерации пиковых донорных поверхностных состояний, чем объемных компенсирующих доноров. На второй стадии лавинно инжектированные электроны разрывают водородные связи и

34

уменьшают пиковые донорные поверхностные состояния, которые являются связями X–H

X–H + e* X+ H+ eSi.

Модель водородно-дефектного комплекса также согласуется с наблюдаемой кинетикой отжига второго порядка пиковых донорных поверхностных состояний. Реакция представляет собой

2(X–H) 2X+ H+ H 2X+ H2.

Двухпримесная модель. В этой модели пиковые донорные поверхностные состояния (водородно-дефектный комплекс или связанная с водой примесь) формируется атомарным водородом (или связанной с водой примесью), реагирующим с поверхностным дефектом. На первой стадии возможная химическая реакция

X+ H X–H.

В дополнение к атомарному водороду лавинно инжектированные электроны также освобождают частицу другой примеси I, такой как ион гидроксила О–Н, водород или ион натрия в окисле или на границе Al–SiO2. На второй стадии частица примеси I достигает границы раздела Si–SiO2 и нейтрализует пиковые донорные поверхностные состояния X–H

X–H + I Z.

Здесь Z это XHI (или X + HI) и есть электрически неактивный центр. Двухпримесная модель согласуется с наблюдаемой кинетикой отжига второго порядка

2(X–H) 2X+ H+ H 2X+ H2.

Генерация поверхностных состояний связана с рекомбинацией захваченных дырок с электронами и разрывом связей водородом (H или H+) /24/.

Реакции здесь следующие

Si–H + h+ Si + H+ 35

или

Si–H + h+ Si+ + H.

Освобожденные атомы или ионы водорода движутся к границе раздела Si–SiO2 и вступают в реакцию

Можно считать, что Si+ центры ответственны за положительный заряд в окисле, а Si являются поверхностными состояниями на границе раздела Si–SiO2. Зонные диаграммы МОП структуры при отрицательном и положительном смещениях показаны на рисунке 1.3.

Поверхностные состояния могут образовываться и в результате прямого воздействия горячих электронов на связи на границе Si–SiO2. Это подтверждает тот факт, что при инжекции Фаулера-Нордгейма воздействие отрицательного постоянного смещения или отрицательных импульсов на МОП структуру дает большую концентрацию поверхностных состояний на границе Si–SiO2, чем, когда на затвор прикладывается положительное напряжение или положительные импульсы /24/.

Генерация поверхностных состояний согласуется с наличием напряженных или химически ненасыщенных связей на границе Si–SiO2. Типичные образцы распределения поверхностных состояний содержат основу в виде U-формы, имеющей специфические особенности, наложенные на нее /26/. Генерация поверхностных состояний требует потока носителей заряда через окисел или генерацию электронно-дырочных пар при радиации. При туннельной инжекции Фаулера-Нордгейма эти состояния получаются при обеих полярностях напряжения затвора. Тем не менее, при положительном напряжении меньше инжектированных носителей требуется для образования поверхностных состояний, чем при отрицательном напряжении, т.е. энергетические электроны могут создать поверхностные состояния.

36

В работе /19/ исследовались структуры на p-кремнии с толщиной окисла 384-2440 Å и алюминиевыми электродами с помощью метода высокочастотной импульсной лавины при поддержании постоянного тока. Наблюдался захват электронов в окисле и эффект аномального положительного заряда. Как в сухих окислах, так и в окислах с диффузией воды, сечение захвата доминирующего центра меньше ожидаемого для простого электрически нейтрального дефекта. В случае простого нейтрального дефекта радиус захвата rc=( c / )1/ 2 должен быть атомным радиусом (rc > 0,5 Å). На самом деле, в сухих окислах rc 0,05 Å, а в окислах с диффузией воды rc 0,2

Å.

Наиболее простым допущением является предположение об обволакивании молекулами воды существующих нейтральных дефектов при диффузии. Осколки диффундирующих молекул воды могут связываться с образованием структурных дефектов в каркасе SiO2. Например, радикалы Si с тремя связями или радикалы перекиси были обнаружены в массивных стеклах методом электронного парамагнитного резонанса. В рамках ионных представлений два упомянутых дефекта относятся, соответственно, к вакансиям кислорода и кислородным междоузельным атомам.

Разумно характеризовать свойства очень сухих и, предположительно, очень чистых окислов с помощью подобных собственных дефектов. Обволакивание подобных дефектов фрагментами молекул воды создает комплексы Si–H- и Si–OH- лигандов.

Другая модель влияния диффузии воды, согласующаяся с результатами по захвату, представляет собой простую ассоциацию (т.е. сближение) лигандных комплексов, связанных с водой (включая Si–H- связи или Si–OH- связи), или растворенной молекулярной Н2О с некоторым ловушечным центром в сухом окисле, включающим собственный структурный дефект или дефект, связанный с примесью. Диффузия воды резко повышает концентрацию Si–OH и эта концентрация впоследст-

37

вии может быть уменьшена за счет послеметаллизационного отжига.

Сухие окисные пленки обладают сильной аномалией, выражающейся в присутствии положительного заряда, причем она отличается от той, которая имеет место в окислах с диффузией воды в первую очередь общей эффективностью процесса. Поэтому не представляется обязательным допущение, что для генерации граничного заряда необходима модификация границы примесями, связанными с наличиями воды.

Наиболее важной проблемой является природа групп, диффундирующих из объема окисла к границе Si–SiO2. Показано, что диффундирующие группы нейтральны. Два варианта возможных диффундирующих групп – осколки молекул воды: по всей вероятности нейтральный атом водорода или экситон – согласуются с настоящими результатами.

Если атомарный водород диффундирует к границе раздела в процессе образования положительного заряда, центр захвата электронов в сухих окислах должен включать в себя водородные примеси. Имеется экспериментальное доказательство того, что в сухих окисных пленках присутствуют измеряемые концентрации групп, связанных с водой, даже в том случае, когда эти пленки изготавливались в окислительных средах, содержащих Н2О в количестве 1 часть/миллион.

Образование отрицательного заряда в сухих окислах связывается, по всей вероятности, с собственным или Н/ОН – компенсированным структурным дефектом, образовавшимся в аморфной конфигурации SiO2 при высоких температурах. Этот дефект может обволакиваться осколками молекул воды, входящих в окисный слой при низких температурах. Последний процесс повышает сечение захвата нейтральной ловушки на порядок и усиливает эффективность отрицательно заряженного центра с захваченным электроном при генерации подвижного водородного атома или экситона за счет взаимодействия с подвижными электронами. Перенос получающихся подвижных групп к границе раздела Si–SiO2 приводит к формированию положительного заряда.

38

Показано /20/, что генерация поверхностного положительного заряда в течение лавинной инжекции сильно подавляется при использовании магния вместо алюминия в качестве затворного металла и усиливается при использовании золота. Это коррелирует с работами выхода металлов и согласуется с моделью, где дырки генерируются в аноде горячими электронами и далее туннелируют обратно в окисел и захватываются на границе Si–SiO2.

МОП структуры с алюминиевым затвором толщиной окисла 1050 Å создавались в ультрасухих условиях и подвергались низкотемпературной диффузии воды /21/. На структуры подавались высокочастотные импульсы напряжения. При лавинной инжекции электронов наблюдалась сложное зарядовое поведение, включающее электронный захват и генерацию поверхностного положительного заряда. Метод вторичной ионной масс-спектроскопии показал, что при протекании тока через МОП структуру наблюдается перераспределение водорода

вокисле. Поверхностная плотность водорода, локализованного

на границе раздела Si–SiO2, растет линейно с ростом протекшего заряда. Пик распределения водорода расположен внутри

участка 60 Å от границы раздела Si–SiO2. Источник водорода не определен. Водород может управлять генерацией заряда, захваченного на границе раздела. Нет четкой корреляции между плотностью водорода и числом событий захвата в объеме окисла и плотностью сгенерированных ловушек на границе раздела.

МОП структуры с алюминиевым электродом на кремнии n-типа подвергались воздействию импульсов отрицательного напряжения /22/. Исследовался захват дырок на ловушки

вокисле при их туннельной инжекции из подложки. Захваченный положительный заряд и поверхностные состояния, возникающие из-за инжекции дырок, подобны тем, которые возникают при воздействии радиации.

Таблица 1

Сводные данные по инжекции носителей в окисел