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

Вследствие того, что существуют больше фононов, обусловливающих потерю энергии при высоких температурах, энергия активации для этого механизма отрицательна и совпадает с энергией оптического фонона 0,06 эВ.

Горячие носители могут быть причиной нескольких проблем в надежности.

Ток подложки, создаваемый ударной ионизацией, может индуцировать биполярную защелку в транзисторах или выдавать 4-входовую защелку в КМОП структурах. Добавочно, горячие носители, инжектированные в затворный окисел, могут приводить к образованию поверхностных состояний и захваченных зарядов в окисле /44/. Результирующая деградация в проводимости и пороговом напряжении может приводить к отказу прибора.

Влияние масштабирования на механизм захвата в окисле может быть оценено следующим образом. Распределение горячих носителей и ударная ионизация или ток подложки экспоненциально зависят от распределения электрического поля в канале области отсечки

Очевидно, в наихудшем случае постоянного напряжения источника питания для очень короткой длины канала продольное электрическое поле может быть грубо оценено как обратно пропорциональное длине канала: E~1/lе, где lе - эффективная длина канала. Эмпирически было найдено, что время до определенной степени деградации проводимости или MTTF было обратно пропорционально четвертой степени тока подложки,

Эти наблюдения могут быть скомбинированы, чтобы показать эффект масштабирования на время жизни, обуслов-

Заключение

В представленной работе рассмотрены физические процессы, происходящие в МОП системах при действии сильных электрических полей и ионизирующей радиации – туннелирования по закону Фаулера-Нордгейма, лавинной инжекции, генерации электронно-дырочных пар. Описаны эффекты, происходящие в МОП структуре при прохождении тока через нее – накопление отрицательного заряда, эффект накопления аномального положительного заряда, генерация ловушек, образование поверхностных состояний. Описано влияние технологии на формирование ловушек в окисле. Сделан вывод об отсутствии единой точки зрения на механизм образования отрицательного и положительного заряда.

Рассмотрены процессы, протекающие в МОПструктуре, ведущие к время-зависимому пробою.

Список литературы

1.Lenzlinger M., Snow E.H. Fowler-Nordheim tunneling into thermally grown SiO2 // J. Appl. Phys. – 1969. – Vol. 40, N 1.

–P. 278-283.

2.Solomon P. High-field electron trapping in SiO2 // J. Appl. Phys. – 1977. – Vol. 48, N 9. – P. 3843-3849.

3.Hosoi T., Akizawa M., Matsumoto S. The effect of Fow-

ler-Nordheim tunneling current on thin SiO2 metal – oxide – semiconductor capacitors // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 57, N 6. – P. 2072-2076.

4.Balland B., Plossu C., Bardy S. Degradation of metal – oxide – semiconductor structures by Fowler-Nordheim tunnelling injection // Thin Solid Films. – 1987. – Vol.148, N 2 . – P.149 – 162.

5.Itsumi M. Positive and negative charging of thermally

grown SiO2 induced by Fowler-Nordheim emission // J. Appl. Phys. – 1981. – Vol. 52, N 5. – P. 3491 – 3497.

6.Balland B., Plossu C., Pinard P., Borel J. MOS structure

undergoing F.N. tunnel injection aging // Extended abstracts of the 82

16th (1984 international) conference on solid state devices and materials, Kobe. – 1984. – P. 103 – 106.

7.Wolters D.R., Van der Schoot J.J. Kinetics of charge trapping in dielectrics // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 58, N 2. – P. 831 – 837.

8.Mikhailowskii I.P., Epov A.E. A model of field (tunnel)

generation of positive charge in thermal silicon dioxide of Si-SiO2 structures / Phys. Stat. Sol. (a).– 1985. – Vol. 92. – P. 615-622.

9.Солдатов В.С., Соболев Н.В., Варлашов И.Б. О природе изменения зарядового состояния МДП структур на кремнии при инжекции носителей заряда в окисел электрическим полем большой напряженности // Депонировано ВИНИТИ. –

1985. - N 3940.

10.Fazan P., Dutoit M., Martin C., Ilegems M. Charge gen-

eration in thin SiO2 polysilicon-gate MOS capacitors // Solid-State Electronics. – 1987. – Vol. 30, N 8. – P. 829-834.

11.Huang C.-L., Grot S.A., Gildenblat G.Sh., Bolkhovsky V. Charge trapping and dielectric breakdown in MOS devices in 77-400 K temperature range // Solid-State Electronics. – 1989. – Vol. 32, N 9. – P. 767-775.

12.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. –

М.: Мир, 1984. – Т. 1. – 455 с.

13.Miura Y., Yamabe K., Komiya Y., Tarui Y. The effect

of hot electron injection on interface charge density at the silicon to silicon dioxide interface // J. Electrochem. Soc. – 1980. – Vol. 127, N 1. - P. 191-194.

14.Itsumi M. Electron trapping in thin films of thermal

SiO2 at temperatures between 30 and 300 K // J. Appl. Phys. - 1983. – Vol. 54, N 4. – P. 1930-1936.

15.Hsu Charles C.H., Pan Sam C.S., Sah Chih-Tang. Trap generation during low-fluence avalanche-electron injection in met- al-oxide-silicon capacitors // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 58, N 3.

–P. 1326-1329.

16.Young D.R., Irene E.A., Di Maria D.J., De Keersmaeker

R.F. Electron trapping in SiO2 at 295 and 77 K // J. Appl. Phys. – 1979. – Vol. 50, N 10. – P. 6366-6372.

83

17.Lai S.K., Young D.R. Effects of avalanche injection of electrons into silicon dioxide generation of fast and slow interface states // J. Appl. Phys. – 1981. – Vol. 52, N 10. – P. 6231-6240.

18.Sah C.-T., Sun Y.-C., Tzou J.J.-T. Study of the atomic models of three donor-like traps on oxidized silicon with aluminium gate from their processing dependencies / J. Appl. Phys. – 1983. – Vol. 54, N 10. – P. 5864-5879.

19.Feigl F.J., Young D.R. The effect of water on oxide and

interface trapped charge generation in thermal SiO2 films // J. Appl. Phys. - 1981. – Vol. 52, N 9. – P. 5665-5682.

20.Fischetti M.V., Weinberg Z.A., Calise J.A. The effect of

gate metal and SiO2 thickness on the generation of donor states at the Si-SiO2 interface // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 57, N 2. – P. 418-425.

21.Gale R., Feigl J. Hydrogen migration under avalanche injection of electrons in Si metal – oxide – semiconductor capacitors // J. Appl. Phys. – 1983. – Vol. 54, N 12. – P. 6938-6942.

22.Aitken J.M., Young D.R. Avalanche injection of holes

into SiO2 // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 1977. – Vol. NS-24, N 6. – P. 2128-2134.

23.Назаров А.И., Гуртов В.А., Кузнецов С.Н., Сергеев М.С. Лавинная инжекция дырок в МДП структурах на кремнии // Микроэлектроника. – 1991. – Т. 20, вып. 3. – С. 260-267.

24.Chen T.P., Li S., Fung S., Lo K.F. Interface trap generation by FN injection under dinamic oxide stress // IEEE Trans. Electron. Dev. – 1998. – Vol. ED-45, N 9. – P. 1920-1926.

25.Sah Ch.-T., Sun J.Y.-Ch., Tzou J.J.-T. Study of the atomic models of three donorlike defects in silicon metal-oxide- semiconductor structures from their gate material and process dependencies // J. Appl. Phys. – 1984. – Vol. 55, N 6. – P. 15251545.

26.Balk P. Hot carrier injection in oxides and the effect on MOS reliability // Proc. 13th Eur. Solid State Device Research Conf. and 8th Simp. on Solid State Device Technology. – Cantenbury, 1983 / Inst. Phys. Conf. – Ser. 69. – P. 63-82.

84

27.Feigl F.J., Young D.R. The effect of water on oxide and

nterface trapped charge generation in thermal SiO2 films // J. Appl. Phys., 1981. - V. 52. - N 9. - P. 5665-5682.

28.Емельянов А.М. Ловушки для электронов в терми-

ческих пленках SiO2 на кремнии // Микроэлектроника, 1986. -

Вып. 15. - С. 434-442.

29.Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. - М.: Высш. шк., 1994. -

544 с.

30.O'Dwyer J.J Theory of high field conduction in a dielectric // J. Appl. Phys., 1969. – V.40, N10. – P. 3887–3901.

31.DiStefano T.N. Dielektric instability and breakdown in SiO2 thin films // J. Vac. Technol., 1976. – V.13, N1. – P. 50–54.

32.Chen I.C, Holland S.E. Hu C. Electrical breakdown in thin gate and tunneling oxides // IEEE Trans. Electron Devices., 1985. – V. ED–32, N2. – P. 413–421.

33.Rider S.I. Time–dependent breakdown of silicon dioxede films//J. Appl. Phys. Lett., 1973. – V. 23. – P. 34.

34.Osborn C.M., Ormond D.W. Sodium–indused barrier– height lowering and dieleсtric breakdown on SiO2 films on silikon

//J. Electrochem. Soc., 1974. – V. 121, N9. – P. 1195.

35.Lin P.S.D., Marcus R.B., Sheng T.T. Leakage and breakdown in thin oxide capasitors–correlation with dekorated stacking faults // J. Electrochem. Soc., 1983. – V. 130., N9. – P. 1878.

36.Harari E. Dieleсtric breakdown in electricalli stessed thin films of thermal SiO2 // J. Appl. Phys., 1978. – V. 49, N4. – P. 24782483.

37.Holland S., Chen I.C., Ma T.P., Hu C. On physical models for gate oxide breakdown // IEEE Trans. Electron Dev. Lett., 1984. – V. EDL–5. – P. 302.

38.Boesh H.E., McGarrity J.M. An electrical technique to measure the radiaticen susceptibility of MOS gate insulators // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1979. – V. NS–26. – P. 4814.

39.Derbenwick G.F. and Gregory B.L. Process optimization of radiaticen – hardened CMOS integrated circuits // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1975. – V. NS–22. – P. 2151.

40.Yamabe K., Taniguchi K. Time-dependent dieleсtric breakdown of thin thermalli grown SiO2 films // IEEE Trans. Electron Dev., 1985. – V. ED–32, N2. – P. 423–428.

41.Crook D.L. Method of determining reliability screens for time dependent dielektric breakdown. 17th Proc. Int. Reliab. Phisics Symp., 1979. – P. 1–7.

42.Lee J., Chen I.C., Hu C. Modeling and charecterization of gate oxide reliability / /IEEE Trans. Electron Dev., 1988. – V. ED–35, N12. – P. 2268.

43.Moazzami R., Hu C. Projecting gate oxide reliability and optimizin reliability screens // IEEE Trans. Electron Dev., 1990. – V. ED–37, N7. – P. 1643–1650.

44.Woods M.H., Euzent B.L. Reliability in MOSintegrated cirquits // Internat. Electron. Dev. Meet. San Francisco, Calif. 9-12, 1984. Techn. Dig. – New York, N. Y., 1984. – P. 128.