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

Поперечные сечения захвата дырок варьировались между 10–13–10–14 см-2 и плотность ловушек – между 1012–1013

см-2. Лавинная инжекция дырок также наблюдалась в работе /23/, где использовалась импульсы линейно нарастающего напряжения.

В рассмотренных работах выявлены следующие эффекты зарядки окисла при прохождении через него тока: накопление отрицательного заряда в объеме окисла на уже существующие ловушки, генерацию новых электронных ловушек и их зарядку сразу же после образования, эффект образования аномального положительного заряда в окисле, генерацию поверхностных состояний.

Эффект аномального положительного заряда можно объяснить генерацией электронно-дырочных пар, и захватом дырок на ловушки в окисле. Согласно последним данным горячие электроны, разогреваясь в поле окисла при переходе границы анода выбивают электронно-дырочные пары из материала анода, дырки проникают в окисел и создают положительный заряд и способствуют образованию поверхностных состояний. Это доказывает корреляция между работами выхо-

41

да металлов анода с величиной положительного заряда в окисле /20/. В таблице 1 представлены сводные данные по инжек-

lg t

Рис. 1.4. Кинетика сдвига напряжения плоских зон

ции горячих носителей в окисел.

Рисунок 1.4. показывает примеры зависимости сдвига напряжения плоских зон от инжектируемого в окисел заряда.

42

При инжекции Фаулера-Нордгейма происходит инжекция электронов из затвора при отрицательном напряжении на нем и из подложки при положительном напряжении на затворе. Тип подложки практически не влияет на накопление заряда в окисле. При туннельной инжекции происходит инжекция электронов из подложки p-типа при положительном напряжении на затворе или дырок из подложки n-типа при отрицательном напряжении на затворе. Происходит захват либо электронов, либо дырок на ловушки в окисле. Аномальный положительный заряд в окисле зависит от работы выхода материала анода, куда входят горячие электроны. Количество ловушек в окисле, определяющее накопление заряда, а также образование аномального положительного заряда зависит от технологии получения МОП структур.

Ионизирующая радиация. При ионизирующей радиации образуются электронно-дырочные пары, электроны быстро покидают окисел, а дырки захватываются ловушками в окисле, что приводит к сдвигу напряжения плоских зон. Во всех случаях обнаруживаются дефекты окисла. После экспозиции окисленного кремния электромагнитной радиацией с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны (9 эВ) наблюдаются следующие эффекты /26/.

Окисел становится положительно заряженным из-за захвата дырок вблизи поверхности Si–SiO2 после генерации электронно-дырочных пар. Также, плотность поверхностных состояний возрастает. Окисный заряд и поверхностные состояния легко отжигаются при температуре около 400 С. В конце, в течение облучения нейтральные электронные ловушки генерируются в объеме окисла. Они требуют температуры отжига выше 550 С для удаления.

Влияние технологии. Существует три типа технологических операций, которые имеют отличное от других влияние на характеристики процесса захвата в окисле. Это – имплантация через окисел и диффузия в окисел примесей As и P, использование ионизирующей радиации и применение высокотемпературного отжига.

43

Известно, что существует прямая связь между условиями технологических операций и структурой дефектов окисла. Во многих случаях эти дефекты функционируют как центры захвата для электронов и дырок. Обычные примеси, внедряемые в окисел, являются теми же самыми как и в легировании истока, стока и области канала и пленки поли-Si затвора, а именно As, P,В . Показано /26/, что имплантация As+ производит амфотерные центры. Подобное поведение сообщено для P+ имплантированных образцов, только поперечное сечение меньше в этом случае. Имплантация B+ не дает увеличения электрически активных центров в окисле.

Показано /26/, что эффективность захвата для электронов растет на более порядка величины, когда сравниваются приборы с металлическим затвором, полученные электроннолучевой литографией, с приборами тех же самых размеров, полученными оптической фотолитографией. Использование электронного облучения резистов с улучшенной чувствительностью позволит снизить радиационную дозу и посредством этого уменьшить повреждения.

Оборванные связи кислорода призваны для объяснения захвата электронов в окислах, изготовленных при наличии хлора. Наличие HCl индуцирует меньшую плотность поверхностных состояний и более слабую эффективность захвата в

SiO2 /3/.

Высокотемпературный отжиг в N2 или Ar вызывает развитие мелких электронных ловушек /26/. После отжига при 1000 ºС в нейтральной среде концентрация глубоких связанных с водой электронных ловушек сильно уменьшается, в то же время концентрация дырочных ловушек растет, при этом уменьшается образование положительного заряда. Применение операции отжига в нейтральной среде важно для уменьшения фиксированного заряда. В идеале, должна использоваться для этой обработки температура близкая к 1000 ºС. Тем не менее, важно избежать дефицита кислорода в пленках. К концу отжига в N2 следует краткая обработка в O2.

44

Поли-Si и подобная полицидная технология имеет преимущества, поскольку во время осаждения затвора эффективно удаляются связанные с водой ловушки. Также эта технология позволяет отжечь радиационно индуцированные нейтральные ловушки. Но введение слоя силицида поверх поли-Si индуцирует дополнительные механические напряжения в МОП системе. Это делает систему более подверженной генерации поверхностных (и возможно также объемных) состояний после взаимодействия с инжектированными носителями. Отжиг при 950 ºС в сухом Ar подавляет генерацию положительного заряда и уменьшает электронный захват /25/.

Экспериментальные результаты показывают /15/, что в большей степени отрицательно заряженные ловушки генерируются во влажном окисле, чем в сухом.

Плотность медленных состояний увеличивается при низкотемпературном отжиге в кислороде /17/. Кислород можно рассматривать как возможный источник медленных состояний.

Так как образцы без послеокислительного отжига имеют больше частиц, связанных с водой, чем образцы с послеокислительным отжигом, от первых ожидается более высокая интенсивность генерации электронных ловушек и поверхностных состояний. Действительно, это имеет место /15/.

Наименьшая интенсивность захвата наблюдалась /16/ в сухих образцах с послеметаллизационным отжигом. Влияние такого отжига больше для сухих образцов и меньше для влажных.

В структурах с поликремниевым затвором аномальный эффект по данным работы /16/ отсутствует. Для такой технологии характерна высокая температура ( 900 С), которая может уменьшить концентрацию воды в структуре.

Положительный C-V-cдвиг /5/ указывает на отрицательный заряд в окисле. С-V-сдвиги больше, чем сдвиги кривой Фаулера-Нордгейма, это показывает, что заряд расположен очень близко к границе раздела Si–SiO2. Влияние технологии показывает в этом случае, что окислы с и без HCl дают

45

подобные характеристики захвата. Отжиг до и после металлизации при 400 оС уменьшает захват в три раза. Вероятность захвата растет с толщиной окисла. Это вызвано в большей степени ростом сечения захвата, чем концентрации. Захваченный заряд отжигается частично в форминг-газе, причем сильнее при увеличении температуры до 400 оС.

При той же самой плотности потока инжектированных электронов генерация поверхностных состояний существенно уменьшается в ультрасухих окислах /17/.

В работе /18/ сообщается о влиянии технологии на генерацию трех типов донороподобных ловушек: объемных компенсирующих доноров, донороподобных ловушек аномального эффекта положительного заряда и пиков поверхностных донорных состояний в МОП структурах с алюминиевым затвором на р-кремнии, легированном бором. Дано экспериментальное доказательство связи трех типов ловушек с водой. Близкая корреляция их кинетик генерации и отжига предполагает, что они могут быть результатом присутствия связанных с водой подвижных частиц примеси, таких как атомарный водород, освобождаемый в результате лавинной инжекции горячих электронов.

Авторы наблюдали /19/ как в сухих, так и во влажных окислах МОП структур с алюминиевым электродом аномальное поведение напряжения плоских зон, которое заключается в изменении направления сдвига кривой, показывающей накопление отрицательного заряда при лавинной инжекции электронов, в сторону накопления положительного заряда. Вода усиливает оба процесса накопления.

МОП структуры p-типа с сухим окислом и с поликремниевым затвором, легированным бором, подвергались лавинной инжекции при воздействии прямоугольных импульсов /25/. Послеокислительный отжиг в сухом аргоне при 1000 С существенно уменьшает электронный захват. Величина аномального положительного заряда также ниже. Подобные результаты получены для структур с алюминиевым затвором.

46

Образцы с алюминиевым затвором имеют больший положительный заряд и также больший отрицательный заряд, чем структуры с поликремниевым затвором /25/.

В настоящее время выявлены основные закономерности деградации МОП структур при инжекции носителей в сильных полях и ионизирующей радиации. Нет единой точки зрения на механизм образования отрицательного и положительного заряда и на физическую природу заряженных центров, существуют определенные противоречия в результатах опытов и их интерпретации. С практической точки зрения важно минимизировать концентрацию центров захвата путем различных технологических операций и учесть эти эффекты при проектировании интегральных схем субмикронного диапазона.

1.4 Методика определения параметров ловушечных центров в диэлектрике МДП структур

В результате захвата происходит изменение напряжения плоских зон VFB. В предположении, что концентрация ловушек неизменна и захват определяется кинетикой первого порядка, изменение VFB может быть записано как /27/

электрическая проницаемость вакуума; – относительная диэлектрическая проницаемость окисла; N – количество типов ловушек; n0i – эффективная плотность данного типа ловушек, см–2; i – сечение захвата данного типа ловушек, см2; j – плотность тока, А/см2; t – время инжекции, с.

Расчет по (28) при известных параметрах ловушек не вызывает трудности. Однако часто возникает необходимость определения параметров центров захвата: их количества, эффективной плотности, сечения захвата. Источником входных данных служит экспериментальная кривая, отражающая зависимость сдвига напряжения плоских зон от времени инжекции

47

Начало

Ввод исходных данных

Генерация N 100

случайных пар N=N+1

n0i и i

нет

Печать N пар ловушек, n0i и i

Останов

Рис. 1.5. Схема алгоритма

при данной постоянной плотности тока j, протекающего через структуру.

48

Используемый на практике метод обработки результатов экспериментально определяемой зависимости VFB=f(t) очень громоздок и заключается в численном дифференцировании кривой VFB(t) и построении новой зависимости в координатах ln(d VFB/dt)=f(t), откуда из прямого участка определяют по наклону и пересечению с осью ординат параметры n0i и i /28/ для центра с наименьшим сечением захвата. Затем из кривой сдвига напряжения плоских зон вычитается вклад первого центра захвата.

Далее процесс повторяется до достижения заданной точности измерения напряжения плоских зон. Сложность данной процедуры определяется необходимостью численного дифференцирования экспериментальной кривой, а значит, ее аппроксимации сглаживающими функциями. Это вносит определенную трудность и некоторую Это вносит определенную трудность и некоторую погрешность в определение параметров центров захвата. В предлагаемом методе сначала задаемся количеством слагаемых в уравнении (28) равном одному, т. е. N=1. В процессе аппроксимации происходит оптимизация параметров n0i и i по методу наименьших квадратов. Таким образом находится локальный минимум и запоминаются n0i и i. В программе установлен генератор квазислучайных чисел, который выдает N 100 значений n0i и i – они являются исходными и вблизи них ищется локальный минимум. Из локальных минимумов выбирается глобальный минимум и запоминаются N, n0i и i. На следующем этапе количество слагаемых в уравнении (1) увеличивается на единицу и происходит оптимизация параметров. Далее определяется вклад наименьшего из слагаемых в (1) по сравнению с погрешностью эксперимента.

В приведенном алгоритме критерием оптимального выбора ловушек является присутствие во вновь рассчитанной аппроксимирующей кривой, описываемой уравнением (1) при N=2 таких n0i и i, что соответствующее им слагаемое суммы,

где t=tполн – полное время эксперимента, будет меньше или равно погрешности измерений 2 при N=2. Если этот вклад меньше погрешности, мы возвращаемся к предыдущим значе-

ниям N, n0i, i.

Это и будут параметры ловушек. Если это условие не выполняется, то запоминаются новые рассчитанные значения и вновь N увеличивается на единицу, а вся процедура повторяется до тех пор, пока не будет найдено оптимальное количество видов ловушек. Схема алгоритма представлена на рисун-

ке 1.5.

Оптимизация проводится методом циклического покоординатного спуска, при котором задача минимизации функции одной переменной находится методом деления отрезков пополам /29/. Был проведен численный эксперимент, при котором исходными данными для нашей задачи являлась рассчитанная зависимость сдвига напряжения плоских зон от времени лавинной инжекции по (28) для двух ловушек.

В задаче минимизации устанавливалась относительная точность при вычислении n0i и i, равной 10–4, а для сдвига напряжения плоских зон абсолютная точность 10–4 В. В результате для двух ловушек машинное время равно 15 мин для персонального компьютера IBM с процессором Pentium. Относительная погрешность результатов расчета параметров n0i и i не превышает 10 %.

2 Электрическая нестабильность и пробой тонких диэлектрических пленок

2.1 Механизмы пробоя тонких диэлектрических пленок Исторически диэлектрический пробой в изоляторе рассматривался прежде всего как электрический лавинный пробой, при котором электрическое поле достигнет таких значений, что происходит лавинное размножение носителей. Теория лавинного пробоя была способна объяснить относительно ограниченные результаты, главным образом относящиеся к пробою щелочногалоидных кристаллов. Однако значение явлений

возмущения поля во время пробоя не было понятно до тех пор,

50