Исследование электрической прочности тонких диэлектрических слоев тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Р Г 5 ОД

На правах рукописи

ЕИГОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

ИСОЯЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТОНККХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ПЕТРОЗАВОДСК-1995

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела фи: ко-математического факультета Петрозаводского государственнс университета

Научные руководители:

доктор физико-математических каук,

профессор В.А.Гурто!

кандидат физико-математических наук,

доцент П.А.Райкер

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор С.Д.Ханин

кандидат физико-математических наук,

доцент А.И.Назаре

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государстве™ технический университет

Завита диссертации состоится " " ¿иуч^Л. 1995 г. в ?$ час, на заседании диссертационного совета К 063.95.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университ

та.

Отзывы просим направлять по адресу: 185640, Карелия, Пе розаводск, пр.Ленина, 33, Ученому секретарю специализированно совета К 063.95.03.

Автореферат разослан ЛсАтЫ-С-1995 г.

Учении секретарь • -_\\

диссертационного совета • •

кандидат физико-математических наук .;--ч.-1-и>'Г.Б.Стефанов:

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Научный интерес к исследованию электрической прочности тонких диэлектрических слоев (ТДС) обусловлен широким спектром их применения в современной микроэлектронной промышленности,

0(ссид и нитрид кремния, анодные оксиды (ЛО) алюминия, ниобия, тантала успешно используются в МДМ- и М2Ш-структурах, в элементах памяти, в электролитических и оксидно-полупроводниковых конденсаторах, Многие изделия, в конструкцию которых входят ТДС, эксплуатируются в сильных электрических полях 108 * 109 В/м, близких II пробивным, что накладывает определенные требования к прочностным характеристикам АО.

В настоящее время существует многообразие экспериментальных данных по пробою твердых диэлектриков. Однако, комплексного изучения электрической прочности ТДС, сравнительного аналиаа экспериментальных данных и единого подхода к теоретической интерпретации результатов исследований нет, что и делает актуальной данную работу, целью которой является систематизированное экспериментальное исследование электрической прочности оксида и нитрида кремния, АО вентильных металлов в статическом, динамическом и э импульсном режимах испытаний.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: '

1. Установить основные закономерности электрического пробоя анодных оксидов вентильных металлов А1, 1№> и Та, оксида и нитрида кремния в постоянном электрическом поле.

2. Изучить электрический пробой оксида тантала ТагОэ в импульсном режиме испытаний при разных значениях длительности и скважности импульсов напряжения.

3. Исследовать электрическую прочность оксида тантала и нитрида кремния в условиях линейно растудего поля.

• 4. Построить физическую модель явления пробоя тонких диэлектрических слоев.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В качестве образцов использовались оксиды вентильных металлов А1,№ и Та, полученные анодированием отожженной электрополироваиной жести соответствующих металлов по стандартной технологии. Двуокись кремния 510г была получена термическим окислением кремния п- и р-типа Б потопе сухого кислорода при Т=1050°С. Образцы 51пМ4 были сформированы на кремнии путем нитридирования поверхности полупроводника с естественным оксидом (нитрооксид N0) и термического 5Юг толщиной 7 нм (ок-сикитрид ОМ). Синтез нитрида кремния осуществлялся аммонолиаом моносилана при температурах 650, 760, 830, 870 и 1015° С. Часть образцов была синтезирована на вырожденном кремнии. Толщина исследуемых ТДС лежала в диапазоне 45 + 500 км.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. В работе впервые проведено комплексное изучение электрической прочности оксидов кремния и вентильных металлов, нитрида кремния в статическом, динамическом и в импульсном режимах испытаний.

Установлены основные экспериментальные закономерности электрического пробоя ТДС в диапазонах:

- времен ю~б + 103 с при комнатной и повышенной температурах.

- скоростей подъёма линейно растущего напряжения от 10"2 В/с до 10& В/с.

- длительностей импульсов напряжения от 300 не до 10э с.

2. Предложена физическая модель пробоя тонких диэлектрических слоев.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ'ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ определяется значимостью полученных результатов для конденсаторостроения/ для разработчиков интегральных микросхем, изделий электронной промышленности, предназначенных для эксплуатации в сильных электрических полях.

Совокупность автоматизации физического эксперимента и методики статистической обработки результатов позволяет широко применять исследования электрического пробоя в заводских технологических лабораториях.

Методика определения электрической прочности ГДС была использована в работах по усовершенствованию свойств оксидно-полупроводниковых конденсаторов, по которым поданы заявки на изобретение.

Комплексный подход к исследованию электрической прочности диэлектриков позволяет внести вклад в создание теории пробоя ТДС.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие основные положения:

1. Основные закономерности электрического пробоя анодных оксидов вентильных металлов, оксида и нитрида кремния в постоянном поле при комнатной и повышенной температурах.

2. Результаты исследования нитрида кремния 51 з^ в динамическом режиме испытаний (сШ/с1ЫсопзЬ).

3. Зависимость напряженности электрического поля пробоя анодного ТагОз от скорости линейно . растущего напряжения, от толщины и температуры образца.

4. Результаты исследования электрического пробоя ТагОв в импульсном режиме испытаний при разных значениях длительности и скважности импульсов напряжения.

5. Предложена физическая модель явления пробоя тонкослойных диэлектриков.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные экспериментальные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на : 2-ой, 3-ей и 4-ой Всесоюзных научных конференциях "Физика окисных пленок" (г. Петрозаводск, 1987, 1991 и 1994 г.); 7-ом Кольском научном семинаре " Электрохимия редких и цветных металлов" (г. Апатиты, 1992 г.); Международной научной конференции "Диэлектрик - 93" Сг. Санкт-Петербург, 1993 г.); 7-ом Международном симпозиуме по пассивации металлов и полупроводников (Германия, Клаусхолл, 1994).

ПУБЛИКАЦИИ. По' материалам диссертации опубликовано 13. работ в научных журналах и сборниках.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ: Диссертация состоит из введения, вести глав, заключения и списка основных сокращений и

5

(йозл.ччений и датируемой литературы. Содержит 140 страниц, в том числе 34 рисунка, 4 таблицы, НО библиографических ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ обсувдается актуальность тематики, сформулированы цель и основные задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна и практическая ценность, кратко изложено содержание работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ изложены современные представления об анодных оксидных плёнках, их образовании, структуре, электропроводности, приведены электрофизические параметры оксидов вентильных металлов ТазОб, ЛЬгОз, А^Оз- В ней обобщены данные, имеющиеся в литературных источниках, о критических параметрах пробоя твердых диэлектриков, о методах исследования электрической прочности диэлектриков и о статистических методах, применяемых для обработки результатов экспериментов. Представлен обзор и сравнительный анализ результатов исследований пробоя тонких ДС, современное состояние проблемы теории пробоя тонких диэлектрических слоев. Отмечено, что несмотря на богатый экспериментальный материал, отсутствует систематическое исследование АОП, не разработана универсальная модель пробоя тонких ДС. ■

На основе обзора и анализа результатов исследований пробоя ТДС, приводимых в литературных источниках, сформулирована цель настоящей работы. -

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ излагается методика исследования электрической прочности твердых диэлектриков и методика статистической обработки экспериментальных результатов.

Все эксперименты выполнены на автоматизированном нау-но-исследовательском комплексе.

Основные технические параметры комплекса:

- диапазон рабочих напряжений - 0 * 256 В;

- время нарастания . переходной характеристики высоковольтного усилителя- 1,5х10~5 с;

- диапазон рабочих температур - 293 * 573 К;

- точность поддержания температуры - 0,5 К;

- диапазон измеряемых времен - 10~б * 103 с;

Управляющая машина - ЛВК-ЗМ со стандартный периферийным

оборудованием. Для сопряжения о физической частью установки используется системный крейт ;САМЛК. Управление модулями осуществляется через крейт-контроллер КК-60. В состав крейта входят промышленные модули и оригинальные специализированные, разработанные в лаборатории СП.

Использование автоматизировашого комплекса позволило:'

- реализовать основные методы испытаний электрической прочности: статический режим пробоя (Unp»const или 3-const), динамический решм (dU/dt=const), импульсный режим пробоя;

- набрать большую статистику по каждому иа аспектов пробоя;

- исключить субъективный фактор.

В экспериментах фиксировалось время запаздывания пробоя -промежуток времени от момента подачи.напряжения на образец до момента резкого уменьшения напряжения при пробое.

Создан пакет программ, позволяют« проводить эксперимент во всех режимах испытаний с последующей статистической обработкой результатов. Язык программирования - Квейсик. В ходе статистического анализа полученных данных определяются, следующие количественные характеристики электрической прочности материала: средние значения времени запаздывания пробоя tnp и напряжения пробоя Unp, их среднеквадратичные отклонения SX и доверительные интервалы D1, гистограммы tnp и 1!Пр, распределения tnp и иПр в- координатах Вейбулла. Экспериментальные результаты записываются на гибкие магнитные диски или иа жесткие магнитные диски типа " Винчестер" и могут Сыть представлены в табличном виде или графически с выводом на дисплей или графопостроитель.

Образец закрепляется на специальном столике - печке. В качестве контакта используется прижимной электрод (затвор), изготовленный из тонкой золотой или платиновой проволоки диаметром порядка 0.15 мм. Применение такого электрода позволяет на площади оксида 1 смг провести до to4 пробоев отдельных участков оксида и , таким образом, исследовать и полевую, и температурную зависимости времени запаздывания пробоя на одном образце. Перемещение образца и давление противоэлектрода на образец осуществляются программно с помощью модуля шагового двигателя и датчика касания, соответственно.

При пробое напряжение на образце резко уменьшается, ток в

7.

цепи увеличивается, при уровне тока К 600 мкА включается вади та. Время включения защити ~ 5 икс.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследована, электрической прочности анодных оксидов А1, Та и ЛЬ, оксида ; нитрида кремния, выращенных как на слаболегированных п- и р-31 так и на сильнолегированных п+- и р+-31 подложках, в постоянно:

пол9.

Эксперименты проводились в диапааоне времен 10~б + 103 ( при обеих полярностях затвора при комнатной и повышенной тейпе' ратурах.

Приведен обширный экспериментальный материал, на основани) его анализа установлен ряд общих закономерностей пробоя в стационарных условиях.

2 А 6 ' 6 "> Ю 12 и г И&/ -

с> /си

I .

Рис.1. Зависимость времени вапаэдывания пробоя Тпр от поля

Е в полулогарифмических координатах. ^ Полярность напряжения Ус>0. Температура комнатная. 1 - N13205, с1ок-240 НМ, 2 - А1г0з, с1ок-190 им,

3 - ТагОэ, йОк=160 им, 4 - БЮг, йок-ЮО нм, б - 31эМ4, (1н=100 нм.

Г, С

Отмечено, что общий вид голевой зависимости времени запаздывания пробоя Тпр(Е) при пгложительной полярности затвора Уа>0 для всех исследуемых структур идентичен: наблюдается два участка: 1ЫЙ- в области больших времен аапаадывания пробоя и "слабых" полей и IIой- в области малых времен и "сильных" полей. В первой области X уменьшается с ростам напряженности электрического поля медленнее, чем во второй области. Точка пересечения двух участков обычно лежит в области тпр>10~г с (рис.1).

При отрицательной полярности затвора У^сО вид зависимости тПр(Е) для систем с оксидом алюминия и нитридом кремния аналогичен виду зависимости при Уа>0. Для систем с оксидами тантала, ниобия и кремния при Ус<0 характерно быстрое уменьшение времени аапаадывания пробоя с увеличением напряжения (т:Пр изменяется на 6 порядков при изменении напряженности электрического поля ДЕ-1+3 МВ/см). При этом наблюдается асимметрия полевой зависимости времени запаздывания пробоя для структур с А1г0з, ЭЮг и 31зМ4: Тпр при Уа<0 на 2-3 порядка больше, чем при Уй>0.

Для МНОЛ-структур установлено явное наличие эффекта упрочнения. Время запаздывания пробоя для тонких пленок 31эН4 на 2-3 порядка больше, чем для толстых.

Рассмотрено влияние температуры на время запаздывания пробоя. С увеличением температуры значения времен аапаадывания пробоя для систем с АО вентильных металлов и нитридом кремния уменьшаются, общий вид полевой зависимости тпр(Е) не изменяется. Для оксида кремния установлено, что механизм пробоя, отвечающий за первый участок зависимости тпр(11), где хПр>10~2с, является температурно-зависящим, а механизм пробоя, обуславливающий пробой на втором участке (гпв<10"2 с) не зависит от температуры.

Проведены трудоемкие эксперименты для определения зависимости времени запаздывания пробоя от температуры при заданном значении приложенного напряжения. По наклону прямых, построенных в координатах Аррениуса для температурной зависимости тПр при разных напряжениях, посчитаны значения энергии активации времени запаздывания пробоя Ф=сЩпт№)/с1(1/кТ). В области температур вблизи комнатной для больших напряжений заметно появление участка более слабой зависимости ТПр(Т). Для Таг05 с ростом напряжения от 65 до 110 В величина Ф уменьшается от 1.8 до 0.6

а

зв, для А1гОз в этом же интервале напряжений Ф изменяется от 2.5 до 0.9 эВ.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследования электрической прочности анодного оксида тантала в импульсном режиме испытаний.

Эти эксперименты представляет практический интерес, так как многие изделия электронной техники в реальных условиях работают именно в импульсном режиме приложения напряжения.

Ет,с Ю

Ю'

Рис. 2.

1

Й У о О п о

0 О \ о I *-" У У ч^ \ 0

' х\ \2

2 \ 1 ■ 1 .1 . _ о »> 1 . 1

10'

ю"

ю

10'

Ю'3 10"'

Зависимость суммарного времени запаздывания лроОоя ■Спр от длительности импульсов приложенного напряжения для ТагОэ, иф»30 В, иПр-за.7 В при двух значениях скважности 5-2 (кривая I) и 3»5 (кривая II). Температура комнатная. Vй>0.

Эксперименты выполнены для разных толщин образцов. В ходе исследования варьировались как длительность, так и скважность импульсов приложенного напряжения. Показано, что на( функциональной зависимости времени запаздывания пробоя от длительности импульсов приложенного напряжения хПр(1и) при скважности импульсов 3=2 можно выделить три области: первая область;в диапазоне импульсов 1и=ЗхЮ"7 т 5х10"4 с, где тПр не зависит от длительности импульсов напряжения; вторая область - 1и=5хЮ"4 + 5х10~3 с, где ТПр уменьшается с увеличением 1и и третья1 область

д диапазоне 1ц=5х30"3 10

30 е, где суммарное время запаздывания

1робоя не зависиг от tM (,т.е пробой происходит на первом же шпульсв) и совпадает с -"-пр при пробое в постоянном поле ;рис.2).

При увеличение сквачшости импульсов напряжения (S=5) общий зид функциональной зависимости trp(tH) сохраняется, но меняются соотношения областей по длительности приложенных импульсов. Если, при S»2 хорошо наблюдаются три области зависимости гПр(Ьи), го с увеличением скважности (5»5) диапазон tM в первой области функциональной зависимости увеличивается с 3x10"7 с до 10~3 с, вторая область смещается в диапазон ta°10~3 ♦ БхЮ'1 с , и при значении tw'öxlO"1 с пробой происходит уже на перпом же импульсе, т.е. в постоянном поле.

В этой главе рассматривается зависимость предпробивного тока от времени при исследовании пробоя в.импульсном режиме испытаний, Отмечено, что полученные результаты вряд ли возможно объяснить с позиций теплового механизма пробоя.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ изучена зависимость напряженности электрического поля пробоя от скорости роста линейно растущего напряжения .

Исследования проводились для структур с АО тантала ТагОз и S1 '1N4 в диапазоне dU/dt-10"2 ♦ 106 В/с.

Показано, что на графиках зависимости пробивного поля от скорости роста напряжения при Vü>0 можно выделить два участка: 1-ый - л диапазоне dU/dt от 10~2 В/с до 5x1О3 В/с для ТагОб и от 10 В/с до 10%/с для SiaN», где напряжение пробоя увеличивается с ростом dU/dt и 2-ой - при dU/dt больше 5xi03B/c для Ta^Os и больше ю4 В/с для SI3N4, где иПр от скорости роста напряжения не зависиг. Эти два участка йависимости Unp(dU/dt) соответствуют двум участкам полевой зависимости tnp(U): участок роста напряжения пробоя с увеличением скорости роста напряжения аналогичен первому участку зависимости tnp(U), где тПр>10"2 о, а участок, где Unp не зависит от dU/dt идентичен участку полевой зависимости, на котором при изменении X на несколько порядков напряжение почти не меняется. А для Va<0 во всем исследуемом диапазоне скоростей роста напряжения ЕПр от dU/dt не зависит.

Проведено исследование зависимости величины напряженности электрического поля пробоя 1) от температуры и 2) от толщины

II

диэлектрика в диапазоне (1=45 + 300 им в режимах йи/(И«сопз1 и йЕЛИ-сопБЬ для Ус<0.

Здесь же приведен пример использования методики телецова ния электрической прочности в практических целях - для опреде ления влияния концентрации ниобия в сплаве Т1-А1-НЬ на качеств ОП.

В ГЛАВЕ ШЕСТОЙ предлагается физическая модель пробои тон кослойных диэлектриков.

При построении модели пробоя привлекались известные ре вульгаты исследований электропроводности и кинетических законо' мерностей предпробивных таков в сильных электрических полях.

Анализируя график зависимости тока, протекающего через ДИ' электрик, от времени Ни для АОП [2] (рис.3) и сопоставляя еп с графиком полевой зависимости времени запаздывания проба 1ггСпр(Е) (рис.1), можно заметить, что два участка первой криво! хорошо соответствуют двум тем же участкам на рис.1. На рис.3 1 области малых времен (участок 1) ток спадает со временем по известному закону Кюри j ~ а затем растет примерно по линейному закону (участок 2).

10* t,C

Рис.3. Зависимости предпробивных токов от времен^ I(t) для системы Та-ТагОй-М. при разных значениях приложенного напряжения.

Толдана оксида 186 ни. Напряжение пробоя, 1 - S0 2 - 95, 3 - 100, 4 - 105, 5 - 110, 6 - 115, 7-120 8 - 125. • "

Известно, что в рассматриваемых диэлектриках при приложении напряжения накапливается объемный заряд 0. Следовательно, поле в образцах становится неоднородным.

Предположим, что в диэлектрик из катода инжектируется отрицательный, заряд. Ток инжекции

¡МОЛИ (1)

Поле вблизи катода определяется уравнением Ек'Е-аО, где а=ха/££ос1 (2)

Хд - положение центроида объемного заряда, отсчитанное от анода; с1 - толщина диэлектрика; с - статическая относительная диэлектрическая проницаемость; £0- электрическая постоянная. Тогда

аЕкЛИ-с1Е/с1Ьа<10ЛЛ-у-аНЕк) (3)

где V - скорость изменения напряженности электрического поля ( в динамическом режиме у«с1Е/с11., в статическом - у-0).

Примем аа критерий пробоя некоторое критическое значение напряженности электрического поля, при достижении которого диэлектрик пробивается.

В этом случае время запаздывания пробоя т определяется временем накопления объемного заряда, при котором поле вблизи анода достигает критического значения Еа»ЕКр и рассчитывается по формуле

г£КРК

Т-. <£к/(У-ги(Ек)) (4)

где Е'\ - начальное значение поля вблизи катода. В стационарном режиме Е°к'Е (Е=и/с)), в динамическом - Е°к»0. Екрк - поле вблизи катода, когда наступает пробой.

Инжекционный ток л(Ек) определяется механизмом инжекции. В главе'рассмотрены конкретные механизмы токопрохождения: 1) туннельный ток Фаулерл-Нордгейма; 2) шоттковские надбарьерные токи и 3) эмпирический закон Пула.

Основной вывод состоит в том, что в области сильных полей, где время запаздывания пробоя начинает очень быстро уменьшаться (участок 1 на рис.3), пробой обусловлен накоплением объемного заряда, в результате чего, поле вблизи неинжсктирующего контакта' становится больше приложенного, при достижении некоторого критического значения ЕКр происходит пробой диэлектрика.

Однако, существует некоторое значение напряженности электрического поля ( обозначим его Ет,п. йшп- ХаЕкрЛО. когда даже при максимально возможном накопленном объемном заряде в диэлектрике поле вблизи анода не достигает своего критического значения. Но и в этом случае пробой также происходит.

При Е<Е„ип наблюдается резкий излом полевой зависимости времени запаздывания пробоя. Это говорит о другом механизме пробоя. В этой области происходит деградация диэлектрика.

На основе аналиаа работ по электропроводности АОЛ в сильных электрических полях [3,41 представлена качественная катина деградации диэлектрика в области Солее слабых полей. Так пока-вано, что для АО Таг05 рост тока в процессе деградации зависит от скорости уменьшения длины хвоста ловушек при Ус>0 и от.скорости уменьшения длины хвоста доноров при Ус<0, что приводит н смещению квазиуровня Ферми к эоне проводимости или к уровни протекании дырочного тока, соответственно.

При Уа>0 на ловушках накапливается отрицательный объемны£ варяд, квааиуровеяь Ферми Г смешается вверх, через ЛОП протекают ТОГО, энергия активации которых

ФпсЕс-Г (Б)

где Ес - дно зоны проводимости.

При Ус'0 экспериментально наблюдается эффект Пула-Френкеля, через АОП протекают дырочные токи аа счет прыжковой проводимости по донорным центрам. Энергия активации дырочного тока Фр-Р-ЕсИР0-Ес1о-8Е1/г)/гкТ, где г»1+Е<УЕа (6)

Ро. Еао и Г, Ее) - начальные значения уровня Ферми и энергии ионизации донорных центров и те ¡не параметры при приложенш внешнего напряжения, соответственно.

В работе С4] определена зависимость энергии активации проводимости от напряженности электрического поля. Если проэкстра-полировать эти результаты в область пробивных полей, >то получим, что пробой происходит, когда энергия активации проводимости уменьшается до значений Ф*0,Г * 0,15 эВ. \

Таким образом, в области более слабых полей пробей, глаз ным образом, обусловлен деградационными процессами, в результа те которых ток через диэлектрик возрастает со временем.\

Предлагается общий критерий пробоя - пробой происходит когда энергия активации тока-проводимости уменьшается до крити 14

некого значения Ф=0,1 эВ.

В рамках предложенной модели пробоя обсуждаются полученные -сспериментальные результаты,

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНОЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Установлено, что общий вид полевой зависимости времени апаадывашя пробоя тпр(Е) при положительном напряжении на эат-оре Уа>0 для всех исследуемых структур идентичен. Наблюдаются ;ва участка, точка пересечения которых обычно лекит в области :Пр > Ю"2 с.

При Уе'О вид зависимости тпр(Е) для систем с оксидом алюминия и нитридом кремния аналогичен виду зависимости при Ус>0. 1ля систем с оксидами тантала, ниобия и кремния характерно Зыстрое уменьшение времени запаздывания пробоя с увеличением (апрякения (тпр изменяется на б порядков при изменении напряженности электрического поля ДЕ-1 + 3 МВ/см),

2. С увеличением температуры значения времен запаздывания пробоя уменьшаются, общий вид полевой зависимости тпс(Е) не изменяется. Для оксида кремния установлено, что механизм пробоя, отвечающий за первый участок зависимости тПр(1)), где Гпр>10~2с, является температурно--зависящим, а механизм пробоя, обуславливающий пробой на втором участке (гПр<10~2 с) не зависит от температуры.

3. Наблюдается асимметрия полевой зависимости времени запаздывания пробоя для структур с А1г0з, ЭЮг и 51зМ4.- тпр при Уа<0 на 2-3 порядка больше, чем при Ук>0.

4. Для МНОП-структур установлено явное наличие эффекта упрочнения. Время запаздывания пробоя для тонких плёнок 31эИ4 на 2-3 порядка больше, чем для толстых.

5. Показано, что на функциональной зависимости времени запаздывания пробоя от длительности импульсов приложенного напряжения т^пр(Ьц) при скважности импульсов 3=2 можно выделить три области: первая область в диапазоне. импульсов 1ц=Зх1СГ7 5х10"4 с, тде тПр не зависит от длительности импульсов напряжения; вторая область - Ьи=Бх10~4 + 5х10"э с, где тпр уменьшается с увеличением Ьи и третья область в диапазоне Ьц=5х10"3 * 10й

15

с, где суммарное время запаздывания пробоя не зависит от tu.

С увеличением скважности импульсов до S»5 общий вид функциональной зависимости rnp(tn) сохраняется, но меняются соотношения областей по длительности приложенных импульсов.

6. На графиках зависимости пробивного поля от скорости роста напряжения при Vg>0 наблюдается два участка: 1-ый - в диапазоне dU/dt от Ю~г В/с до 5х103 В/с для Ta^Os и от 10 В/с до 104В/с для SiaN/i. где напряженность электрического поля пробоя увеличивается с ростом dU/dt и 2-ой - при dU/dt больше 5xlOJB/c для Таг05 и больше 104 В/с для SI3N4, где ЕПр от скорости роста напряжения не зависит. Эти два участка зависимости ЕПр(dU/dt) соответствуют двум участкам полевой зависимости тПР(Е): участок роста значения ЕПр с увеличением скорости роста напряжения аналогичен первому участку зависимости Tnp(U), где тПр>10~г с, а участок, где ЕПр не зависит от dU/dt идентичен участку полевой зависимости, на котором при изменении t на несколько порядков напряженность пробивного поля почти не меняется. Показано хорошее совпадение тангенсов углов наклона кривых.

При Vg<0 ЕПр не зависит от dU/dt во всём исследуемом диапазоне скоростей роста напряжения.

7. Установлено, что для АОП TajOs напряженность электрического поля пробоя, полученная при испытаниях в режимах dl)/dt=const и dE/dt'Const для Vg<0, не зависит от толщины диэлектрика в диапазоне d=45 * 300 нм.

8. Показано, что пробой ТДС обусловлен, главным образом, электронными, а не тепловыми процессами. Предложена и аналитически рассчитана модель электрического пробоя тонких диэлектрических слоев, согласно которой:

1) в области сильных полей Emin'Е<ЕКр, где Еремя запаздывания пробоя tnp начинает очень быстро уменьшаться с увеличением приложенного поля Е, пробой обусловлен накоплением объемного заряда в диэлектрике. При этом поле Еа вблизи неинжектирующего контакта возрастает до значения ЕКр. При Е?ЕКР пробой происходит практически мгновенно, тпр<<10~6 с;

2) в области более слабых полей E<Emm накапливаемого объёмного заряда недостаточно для увеличения поля Еа до ЕКР. Пробой происходит за счет деградации диэлектрика. В оксидах тантала, ниобия и алюминия, возможно, и в нитриде кремния при дегра-16 .

щии изменяется спектр ловушек в запрещённой зоне диэлектрика. )И этом измеряемый ток возрастает со временем, и диэлектрик юОивается. когда ток достигает некоторого критического значе-1Я 1Кр 12]. Процесс деградации в оксиде кремния подробно опи-ш в моделе пробоя "горячими" носителями 153.

3) Предлагается обвдй критерий пробоя - пробой происходит, )гда энергия активации тока проводимости уменьшается до крити->ского значения Ф=0,1 эВ.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Шмидт Т.В., Гуртов В.А., Ершова Н.Ю., Лалэко В.А. Ха-жтернстики пробоя пленок двуокиси кремния на сильнолегирован-IX подложках // Тезисы докл. Всесоюзной науч.-техн.конф. Ря-шь, 16-19 июня 1987.

2. Ершова Н.Ю., Лалэко В.А., Шмидт Т.В. Исследование ¡ектрического пробоя а окислах Та, А1 и Б1 !/ Тезисы докл. 2 :есоюзной конф. "Физика окисных пленок". Петрозаводск, 22-24 !НТ. 1987. Часть 2. С.75-76.

3. Гуртов В.А., Ершова Н.Ю., Лалэко В.А. Электрический гобой пленок 510г и 51зЫ4 на сильнолегированных кремниевых »длолках // Тез.докл. 6 Всесоюзной конф. по физике дизл. )МСК, 23-25 ноября 1988. С. 15-21.

4. Лалэко В.А., Ершова Н.Ю. Исследование электрического >обоя оксида алюминия // Изв.вузов "Физика". 1990. Т.33, N 4, 25-29.

5. Драган И.И., Ершова Н.Ю., Лалэко В.А., Шавкера В.Л. Ме->ды и результаты исследования электрического пробоя в тонких [электрических слоях // Тез. докл. 3 Всесоюзной конф. "Физика згсных пленок". Петрозаводск, 10-12 апреля 1991. Часть 2. 116.

6. Лалэко В.А., Ершова Н.Ю., Драган И.И. 0 механизме (ектрического пробоя в анодном оксиде тантала // ФТТ. 1992. 34, N ?. 0.2118-2121.

7. Бездворных Т.В., Драган И.П., Ершова Н.Ю. Исследование (ектрической прочности анодных оксидов // Тез. 7-ого Кольского •минара "Электрохимия редких и цветных металлов". Апатиты, 192. С.Ю.

8. Ершова Н.Ю., Драган И.И., Шавкера В.Л., Автоматизированный комплекс для исследования электрических характеристик тонкоплеиочных структур // К. "Заводская лаборатория". 1994 HI. С.19-20.

9. Laleko V.A., Dragan 1.1. , Ershova N.Yu. Investigation Kinetics of Electrical Breakdown of Tantalum Oxide Layer // Phys.Stat.Solid 'a). 1994, Vol.141. P.K11-K14.

10. Лалэко В.А., Драган И.И,, Ершова Н.Ю, Кинетические за кономерности пробоя окисных слоев // ФТТ. 1994. Т.36, N Б С.1201-1204.

11. Ершова Н.Ю., Ивдшенков 0. Н. Транспорт заряда и пробе МНОП структур с нитридом кремния, полученным при понижение температуре // Тез.докл. 4 Всероссийской науч.-техн.конф."Фнзи ка окисных пленок", Петрозаводск, £8-30 июня 1994. С.33,

12. Ершова Н.Ю., Гуртов В.А., Райкерус П.А. Основные эакс номерности электрического пробоя тонких диолектрических слое U Тез.докл. 4 Всероссийской науч,-техн. конф."Физика окиснь пленок", Петрозаводск. 28-30 июня 1994, С.34.

13. Gurtov V.A., Ershova N.Yu. and Raikerus P.A. Basl Laws of Electrical Breakdown of Thin Dielectric Layers //

Abstracts Seven International Symposium Passivation of Metals and Semiconductors. Germany, Technical University of Cloustha] 21-26 Aug.1994. P.197.

113 Лалэко В.А., Кожевников C.B., Наумов В.Г., Драп И.И., Шавкера В.Л. / Петрозаводский госуниверсите-Петр-К,1992. - 11 е.- Деп. В ВИНИТИ 13.07.92., N 2284-В92,

■ 121 Лалэко В. А., Драган И.И., Ершова Н.Ю. //ФТТ. 199-Т.36, N Б. С.1201-1204.

[31 Лалэко В. А., Малиненко В.П., Стефанович Г.Б., Шми, Т.В. // Известия ВУЗов. Физика. 1984. N 5. с.15-19.

[43 Лалэко В.А., Райкерус П.А, // ЖТФ. 1984. Т.54. N С.200-202,

£5) Fischetti M.V., Laux S.E. and Di Maria D.J. Appl.Surface Science. 1989. N 36. P.578-596.