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

пока O'Двайер /30/ не предложил модель, в которой учитывается влияние дырок на начальной стадии пробоя. Модель O'Двайера приводила к нестабильности типа отрицательного сопротивления. Согласно этой модели электроны, инжектированные из катода в результате полевой эмиссии, ускоряются настолько, что способны производить ударную ионизацию; при этом медленно движущиеся дырки остаются сзади, вызывая увеличение катодного поля, которое приводит к увеличению инжекционного тока и так до пробоя. Отрицательное сопротивление в этой схеме возникает в результате действия положительной обратной связи. 53

Модель O'Двайера позволила преодолеть несколько трудностей в теории лавинной ионизации, так как она объясняет низкую скорость ионизации, измеренную в изоляторах вблизи пробивного поля и предсказывает нестабильность типа отрицательного сопротивления, которая невозможна в простом лавинном процессе. Дальнейшее развитие модели было направлено на уточнение некоторых деталей в начальной стадии пробоя. Модель O'Двайера характеризует довольно хорошо пробой в полупроводниках и некоторых диэлектриках, но не может быть непосредственно применена к диэлектрическим пленкам, таким как SiO2, в которых подвижность дырок экстремально мала, так что дырки удаляются преимущественно рекомбинацией, а не дрейфом.

В работе /31/ предложена модель, основанная на ударной ионизации и возмущении поля, которая применяется для описания процесса пробоя в пленках SiO2, где дырки относительно неподвижны. Физическая сущность модели заключается в следующем.

Электроны, инжектируемые полевой эмиссией из катода, ускоряются электрическим полем и рассеиваются путем эмиссии фононов. Небольшая часть этих электронов создает электронно-дырочные пары, когда они достигают энергии ионизации, которая в два раза превышает ширину запрещенной зоны (Еg=9 эВ), оставляя сзади относительно неподвижные положительные заряды. Дырки удаляются в большинстве сво-

51

ем путем рекомбинации, дрейф дырок играет незначительную роль в развитии пробоя. Результирующее положительно заряженное облако приводит к увеличению тока более энергичных электронов. Как следствие, развивается нестабильность отрицательного сопротивления; в этом случае необходима независимая от координаты скорость ионизации, чтобы обеспечить обратную связь, существенную для отрицательного сопротивления.

Существуют две принципиальные разницы между последней моделью и моделью O'Двайера: доминирование процесса рекомбинации в удалении дырок из области зарядов и включение нелокальной скорости ударной ионизации. Хотя физическая реальность лежит между двумя крайностями - аннигиляцией дырок путем рекомбинации и удалении дрейфом, авторы считают, что модель, основанная на рекомбинации, лучше описывает проблему пробоев SiO2. Модель ударной ио- низации-рекомбинации, основанная на недавно экспериментально определенных параметрах материала, способна объяснить зависимость диэлектричечского пробоя в тонких пленках SiO2 от толщины, типа электрода, радиации. Модель чувствительна только к двум основным параметрам: ширине запрещенной зоны изолятора и длине электрон-фононного рассеивания. Подвижность дырок является незначительным фактором в развитии пробоя для эффективных подвижностей меньших, чем 10–8 см2/(В c).

2.2. Времязависимый пробой тонких термически выращенных пленок SiO2

Уменьшение толщины окисла является необходимым условием для улучшения характеристик будущего поколения интегральных микросхем на основе МОП-приборов. Прочность SiO2 является, следовательно, важнейшей проблемой. В частности, пробой тонкого затворного диэлектрика является основной причиной отказов, особенно для СБИС ОЗУ.

Кроме того, разрушение очень тонкого туннельного диэлектрика в энергонезависимых схемах с электрической запи-

52

сью/стиранием информации является принципиальной причиной отказов этих схем. Необходимо хорошее понимание физических эффектов, возникающих от приложения больших электрических полей к тонким окислам.

В работе /32/ сообщаются результаты по пробою тонкого (7,9–32 нм) затворного SiO2, который подвергался воздействию высоких полей и высоких токов. Обычный пробой обусловлен накоплением захваченных дырок вблизи инжектирующей поверхности, которое приводит к образованию локализованных областей с высокими значениями напряженности поля и плотности тока.

Концептуально процесс времязависимого пробоя диэлектрика может быть разделен на две стадии. На первой стадии в результате захвата зарядов формируются локализованные области высоких полей и плотностей тока. Как только плотность тока или поле достигнут критической величины, начинается стадия быстрого разрушения, во время которой развиваются добавочные электрические и термические процессы, приводящие к пробою.

Время, необходимое для того, чтобы завершить стадию формирования областей, может быть значительно сокращено, если в окисле присутствуют дефекты. Например, загрязнение натрием может значительно ускорить процесс пробоя и загрязнения, присутствующие на поверхности кремния перед окислением, как было показано в /33, 34/, являются источниками локальных дефектов окисла. Также кристаллические дефекты на кремниевой подложке, такие как дефекты упаковки, могут сократить срок службы окисла /35/.

Известные методики исследования пробоя тонких диэлектрических пленок можно разделить на несколько групп:

-пробой при постоянном инжектируемом токе; пробой при постоянном приложенном напряжении;

-пробой при ступенчатоизменяющемся напряжении на структуре;

-пробой при линейноизменяющемся напряжении на структуре. В первой группе осуществляется инжекция посто-

53

янного тока в диэлектрик и регистрируется изменение напряжения на структуре, необходимое для поддержания заданной плотности тока. Этот тип испытаний имитирует условия работы энергонезависимой памяти, которая основана на туннелировании носителей в плавающий затвор. Напряжение на затворе увеличивается со временем до момента пробоя, при котором напряжение на затворе внезапно уменьшается до величины нескольких вольт. Не существует каких-либо разногласий в использовании этого критерия для определения времени пробоя. Увеличение напряжения, необходимого для поддержания постоянной плотности тока, обусловлено захватом электронов в SiO2 /36/. Кроме того, происходит генерация ловушек как результат воздействия сильного электрического поля. Эта генерация ловушек объясняет отсутствие эффекта насыщения напряжения на затворе со временем. Таким образом, захват электронов осуществляется на протяжении всей стадии формирования.

Было бы естественным прийти к заключению, что пробой окисла является результатом электронного захвата. Однако были представлены доказательства генерации положительного заряда в процессе высокополевых испытаний /37/. Обычно, в модели ударной ионизации процесс пробоя является результатом нестабильности тока, обусловленной увеличением поля на катоде в результате генерации дырок в окисле через механизм ударной ионизации. Стандартным параметром для характеристики пробоя, обусловленного инжекцией заряда, является "заряд до пробоя" QBD, Кл/см2, определяемый соотношением

пробоя, т. е. время до завершения стадии формирования, с. Вольтамперная характеристика (I–V) пробоя в SiO2

описывается уравнением Фаулера-Нордгейма

54

где Ec – электрическое поле на катоде; А и В – параметры, зависящие от эффективной массы электрона и высоты барьера на катоде. В частности, В определяется как

зависит от Eс. Анализ I–V и С–V-характеристик образцов показывает, что имеет место локальное усиление напряженности электрического поля вблизи катодной поверхности. Это усиление поля имеет решающее влияние на пробой и обусловлено захватом положительного заряда в локализованных областях. Когда локальная плотность тока увеличивается до критической величины, развивается лавинный процесс, приводящий к разрушению диэлектрика.

Наиболее вероятным источником этого положительного заряда являются дырки, генерируемые в процессе ударной ионизации в SiO2. Это заключение основывается на подобии характеристик захвата и отжига положительного заряда с теми, которые наблюдаются в радиационных экспериментах. В ряде работ были получены дополнительные доказательства ударной ионизации в SiO2 и, фактически, высокополевая инжекция, приводящая к захвату положительного заряда, была предложена как нерадиационный метод оценки радиационной чувствительности MOП-структур электрическими измерениями.

Модель пробоя, представленная в работе /32/, подобна модели ударной ионизации, рассмотренной ранее /30/. Существуют, однако, несколько важных отличий. Прежде всего, предыдущие модели не включали эффекты захвата электронов и генерации ловушек, хотя в работе /32/ захват электронов как причина пробоя отклоняется, нельзя пренебречь влиянием за-

55

хвата электронов на внутреннее поле окисла. Захват электронов снижает поле на катоде в случае испытаний при постоянном напряжении, что, в свою очередь, снижает ток, приводя к эффекту отрицательной обратной связи. В предыдущих моделях рассматривалась только рекомбинация некоторых генерированных дырок с инжектированными электронами как средство ограничения увеличения катодного поля, которое обычно приводит к пробою /30, 31/. Захват электронов, однако, будет также уменьшать катодное поле и для случая испытаний при постоянном токе и им нельзя пренебречь. Кроме того, захват электронов будет увеличивать поле вблизи анода для обоих видов испытаний - при постоянном напряжении и при постоянном токе. Это будет приводить к увеличению генерации дырок вследствие сильной полевой зависимости коэффициента ударной ионизации.

В рассмотренных моделях пренебрегали также дрейфом дырок в окисле /31/. Приведенные в ряде работ результаты показывают, что дырки действительно дрейфуют к катоду и частично захватываются. Кроме того, доминирующая роль захвата дырок в увеличении катодного поля проявляется в локальных областях, что не учитывалось в рассмотренных моделях. Этот эффект может быть важен при разработке методов улучшения качества окисла. Расчеты на основе рассматриваемой модели привели к следующей формуле для времени наработки до отказа:

BD~C/[JW(MW–1)]~C*e(B+M)/E. (2.5)

Анализ результатов. Основным отличием работы /32/ является учет захвата дырок в развитии процесса пробоя. Доказательством роли поверхности в пробое является тот факт, что QBD для инжекции из подложки на 20 % выше, чем для инжекции из затвора. Таким образом, с точки зрения пробоя граграница раздела поли-Si–SiO2 слабее, чем граница Si–SiO2. Этот эффект наблюдался также в работе /37/.

Можно полагать, что для улучшения пробивных характеристик структуры необходимо улучшение границы раздела.

56

В частности, в соответствии с рассматриваемой моделью, должен быть минимизирован захват дырок на поверхности. Захват дырок в SiO2 был исследован детально вследствие его роли в деградации МОП-приборов, подвергнутых воздействию ионизирующей радиации. По результатам этого исследования был разработан процесс получения радиационно-стойких окислов /39/. В общем, повышение радиационной стойкости было достигнуто минимизацией температуры, при которой выращивается окисел, и минимизацией температур всех последующих послеокислительных процессов.

Процесс радиационного упрочнения сокращает однородную компоненту захватываемых дырок и можно надеяться, что он также сокращает локализованный захват дырок. Однородная компонента положительного заряда, которая ответственна за сдвиг C-V кривых, при испытаниях на инжекцию отжигается подобным же образом, как и индуцируемый радиацией положительный заряд. Это очевидно, так как в обоих случаях, как мы полагаем, положительный заряд обусловлен захватом дырок. Плотность положительного заряда уменьшается с температурой отжига. Локализованная компонента, однако, отжигается не так эффективно. Так как локальная и однородная компоненты обнаруживают различные характеристики при термическом отжиге, они различным образом влияют на процесс радиационного упрочнения. Тем не менее можно предположить, что технологические процессы, повышающие радиационную стойкость окисла, могут улучшить качество окисла по отношению к времязависимому пробою.

Выше указывалось, что этот тип полевых испытаний применим к энергонезависимым ЗУ. В частности, сужение порогового окна, наблюдаемое после достаточного числа циклов запись-чтение, как предполагается, обусловлено захватом электронов, и можно предположить, что пробой окисла в этих приборах также описывается данной моделью.

Результаты, полученные на качественных окислах, можно, по-видимому, распространить на так называемые "ранние пробои", характерные для дефектных окислов. Други-

57

ми словами, можно считать, что ранние пробои вызываются теми же самыми механизмами генерации и захвата дырок. В этом случае область с пониженной прочностью - это либо область с высокой плотностью дырочных ловушек или большим сечением захвата в локальных участках, либо с уменьшенной толщиной окисла или пониженной высотой потенциального барьера. Появление таких областей обусловлено загрязнениями, кристаллическими дефектами либо поверхностными шероховатостями кремния. Фактически, мы считаем, что все три причины дают вклад в ранний пробой окисла.

Реализация СБИС требует очень тонкого окисла с низкой плотностью дефектов и высокой надежностью. В динамических ЗУ с произвольной выборкой (DRAM), толщина окисла уменьшается с увеличением емкости ЗУ в битах, в то время как общая площадь тонкого окисла увеличивается, чтобы обеспечить большой запас по чувствительности для усилителей считывания и низкую скорость программных сбоев. В настоящее время окислы с толщиной 10,0 нм и общей площадью больше чем 10 мм2 используются для 1 Мбайт RAM.

Некоторые исследователи сообщали, что плотность дефектов в термически выращенных пленках SiO2 увеличивается с уменьшением толщины окисла. Представляется трудным уменьшить плотность дефектов окисла настолько, чтобы удовлетворить требованиям уровня СБИС. Исследовались и другие структуры, такие как SiO2–Si3N4–SiO2 /40/. В некоторых работах сообщалось, что плотность дефектов в тонких окислах ниже, чем в толстых, что противоречит рассмотренным выше моделям. Авторы работы /40/ показали, что плотность дефектов в рано отказывающих образцах (тип А) уменьшается с толщиной окисла, а в поздно отказывающих (тип В) увеличивается с толщиной окисла.

Более того, существует ряд сообщений о времязависимом пробое, который становится существенно более значимым при переходе от технологии СБИС к субмикронной. Экспериментальные результаты /41/ показали, что времязависимый пробой ускоряется термически и электрически. Хотя эмпири-

58

ческое уравнение ускорения в общем не противоречило результатам большинства исследований, сообщенные коэффициенты ускорения имеют большой разброс.

В работе /40/ показано, что тип В пробоя соответствует участку сильного наклона в коротковременном диапазоне кривой времязависимого пробоя и эта область сдвигается в более коротковременной диапазон с увеличением поля и температуры. Ускоряющий фактор электрического поля является функцией толщины окисла в диапазоне 10,0–70,0 нм и энергия активации времязависимого пробоя составляет 0,3 эВ.

По результатам ускоренных испытаний был выбран критерий, гарантирующий долговременную надежность реальных приборов. Статистический анализ показал, что число дефектов типа В должно уменьшаться. Основной причиной дефектов типа В являются преципитаты кислорода и загрязнение металлами кремниевых подложек. Для сокращения числа дефектов, типа В было предложено высокотемпературное предокислительное прогревание и диффузия фосфора в тыльную сторону пластины. Приведенные результаты показывают, что качество Si пластин – основной фактор для получения высоконадежного окисла.

Основные выводы работы /40/ можно суммировать следующим образом:

1.Отказы типа В соответствуют сильному наклону в диапазоне коротких времен времязависимого пробоя, т. е. В тип дефектов укорачивает срок службы СБИС.

2.Нижний предел В типа пробивных напряжений Vbl

разбросаны вдоль линии Vbl(В)=0.9 tox (Å). Эта зависимость

означает, что диэлектрический пробой для В типа дефектов обусловливается термическим пробоем.

3. Ускоряющий фактор для электрического поля времязависимого пробоя зависит от толщины окисла. Эта зависимость может быть представлена в виде

59

4. Энергия активации времязависимого пробоя равна 0,3 эВ. Эта величина означает, что испытания в течении 10 лет при 70 С эквивалентны работе в течение 58 лет при комнатной температуре.

5. Напряжение Vs в температурно ускоренном испытании при комнатной температуре, необходимое, чтобы гарантировать 10 лет работы прибора при напряжении Vg при 70оС, дается уравнением

6. Основными причинами дефектов типа В являются преципитаты кислорода и загрязнение металлами кремниевой подложки. Чтобы увеличить надежность термического SiO2, необходимы высокотемпературное предокислительное прогревание и/или диффузия фосфора в тыльную сторону подложки.

2.3.Методы отбраковочных испытаний по отношению

квремязависимому пробою

Зависимый от времени пробой является основным видом отказов современных МОП ЗУ. Этот тип отказов, как было показано, связан со скрытыми дефектами, которые случайно генерируются в диэлектрике в процессе производства. Времязависимый пробой в МОП-приборах сильно зависит от электрического поля и активной площади диэлектрика. Так как проектируются МОП ЗУ с большей емкостью, необходима улучшенная процедура испытаний диэлектрика на пробой.

Для того чтобы разработать оптимальную процедуру испытаний, необходимо иметь соответствующую модель /41/.

Функция распределения для времязависимого пробоев, экспериментально наблюдаемых на тестовых емкостях и реальных запоминающих матрицах, следует логарифмически нормальному распределению, т. е. общее выражение функции плотности распределения отказов для данных температуры и напряжений может быть представлено в виде

60