Геттерирование подвижных ионов в диэлектрических слоях МДП-структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ ( ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ )

На правах рукописи УДК 621.382:537.222.2

САПОЛЬКОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ГЕТТЕРИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ МДП - СТРУКТУР.

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1996

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники

Научный руководитель: Научный консультант

доктор физико-математических наук, профессор Мурыгин Виктор Иванович

кандидат физико-математических наук, доцент Романов Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Шермергор Тимофей Дмитриевич,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Гонтарь Виктор Матвеевич

Научно-исследовательский институт микроприборов.

Защита диссертации состоится'

. 1996 года в.

час. на заседании диссертационного совета Д 053.02.02 по присуждению ученых степеней при Московском государственном институте электронной техники по адресу: Москва, 103498, МИ ЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан" "_1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кф.-м.н., доцент

Б.М. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С момента появления первых полупроводниковых приборов остро встал вопрос об устранении нестабильности их электрических характеристик и отказов, обусловленных ионными дрэйфоао-диффузионными процессами (ИДДП), протекающими на поверхности и в объеме диэлектрических слоев. Наибольшую нестабильность вызывают ионы водорода и ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия. В настоящее время технологи, изготавливающие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы на основе кремния с термически выращенной пленкой двуокиси кремния, научились а известной мере бороться с ионной нестабильностью. Это достигается за счет пассивации пленок двуокиси кремния галогенами, например, хлором при окислении кремния в хлор-содержащей атмосфере или геттерирования ионов щелочных металлов пленками фосфоросиликатного стекла (ФСС), нитрида кремния и другими пленками, наносимыми поверх пленок двуокиси кремния.

В развитии представлений о протекании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-лрибороа (приборов на основе структур металл-диэлектрик-лолупроводник) можно выделить два этапа. На первом этапе (до 1981 Года) в теоретических работах ( например, Collins F.S. // Electrochem. Soc. 1965. Vol.112. N.a P.786-791; Romanov VP., Chaplygir» Yu.A.// Phys. Stal. Sol.(a). 1979. Vol.53. P.493-498) , учитывалось лишь участие подвижных ионов в процессах диффузии и дрейфа в электрическом поле. Начало второго этапа в изучении природы ИДДП связано с работой ( Romanov V P. // Phys. Stat. Sol.(a). 1982. Vol. 70. P. 525-532 ), в которой показано, что на поведение подвижных ионов в таких диэлектрических слоях, как термически выращенная двуокись кремния, структуры металл-двуокись кремния-кремний существенное влияние оказывает упругое поле. Однако, несмотря на эти достижения в понимании физики ионных процессов к началу работы над диссертацией не существовало адекватной теории ИДДП, позволявшей описывать процесс геттерирования подвижных ионов в диэлектрических слоях, а это в свою очередь, создавало определенные трудности в проведении работ по улучшению качества и повышению надежности МДП-лрибороа и интегральных микросхем на их основе.

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектри-. ческих слоях с учетом участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов и разработке на основе этих исследований теории геттерирования подвижных ионов, методик нахождения значений электрофизических параметров, хаз

растеризующих протека!«» ИДДП е диэлектрике, и их применении для исследования МДП-структур.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающая участив ионов а процессах ассомиадои и диссоциации комплексов. Аналитические выражения для равновесных распределений концентраций подвижных и захваченных ионов, напряженности и потенциала электрического поля а слоях фосфоросиликатного стекла, оксинигрида кремния , двуокиси кремния, легированной хлором, и в двухслойной структуре ФСС-двуокись кремния для случая слабого упругого поля и однородного распределения центров захвата, а также аналитическое выражение для напряженности электрического поля в указанных диэлектриках для среднего и сильного упругих полей. .

2. Результаты численного моделирования на ЭВМ гюввцения ионов натрия в различных диэлектрических слоях МДП-структур С учетом участия ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях и ассоциации и диссоциации комплексов.

3. Результаты теоретических исследований влияния степени компенсации подвижного заряда на его равновесные распределения в диэлектриках и полупроводниках.

4. Методики нахождения значений величины ионного заряда, энергии активации, констант ассоциации и диссоциации комплексов и параметров взаимодействия ионов с упругим полем в пленке диэлектрика, основанные на анализе динамических вольт - амперных характеристик (ДВАХ) и термостнмупировзнных тохов (ТСТ) МДП-структур, подвергнутых различным термополевым обработкам.

5. Результаты экспериментальных исследований ИДДП в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния.

6. Результаты двумерного моделирования ионных дрейфово-диффузионных процессов в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, изолирующем затвор в короткоканальных кремниевых МДП-транзисгорах.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Всесоюзной студенческой научно-технической конференции По проблемам экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов, НЭТИ ( Новосибирск, 1984 г.);

4

• It Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний изделий электронной техники" (Суздаль, 1985г.);

« Всесоюзной научной конференции "Исследование и разработка перспективных ИС памяти" (Москва, 1986г.);

• Втором Всесоюзном совещании-семинаре " Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем* {Одесса, 1986г. );

• Всесоюзной научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехника и электроника" (Москва, 1988г.);

• Третьем Всесоюзном совещании-семинаре " Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса, 1S88r.);

• Ш Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ЙМС и их элементов" (Суздаль, 1969г.);

• VII Международной конференции по микроэлектронике "Диагностика материалов и изделий микроэлектроники, вопросы качества и безотказности элементов и схем" {Мина?, 1990г.).

• Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых лриборов"(Ни>кний Новгород - Астрахань1992 г.).

Научная новизна и практическая ценность

1. Разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающая наряду с диффузией и дрейфом ионов в электрическом и упругом полях участие их в процессах ассоциации и диссоциации комплексов, и позволяющая описать генерирование подвижных ионов пленками фосфоросиликатного стекла, оксинитрида кремния и двуокиси кремния, легированной хлором.

2. в одномерном приближении получены аналитические выражения, описывающие равновесные распределения концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях ФСС, оксинитрида кремния, хпсрсодержа-щей пленке двуокиси кремния и структуре ФСС-двуокись "ремния для однородного распределения центров захвата ионов и слабого упругого поля, и аналитиче-. сков выражение для напряженности электрического поля в перечисленных диэлектрических слоях для среднего и сильного упругих полей.

5

3. Установлено, что с увеличения« яодаЛкногоааряяа в Дйзоясцлмескок. слое длина экранирования электрического поля , уменьшаясь, стремится к насыщению, определяемому отношением толщины диэлектрика к числу п.

А. Разработаны теории динамических вольт-амперных характеристик и термо-стимутроаанных токов МДП-сгруктур, учитывающие процессы геттерирования подвижных ионов.

5. Разработаны методики нахождения из анализа ДВАХ и ТСТ МДП-сгруктур значений важных физических параметров, характеризующих протекание ИДДП в диэлектрических слоях, таких как величина ионного заряда, энергия активации, константы ассоциации и диссоциации комплексов и параметры взаимодействия ионов с упругим полем. Проведено исследование структур Мо-ФСС-в'Юг-^ и определены значения указанных параметров.

6. Проведено двумерное моделирование ИДДП в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, изолирующем затвор короткоканального МДП-транзистора на кремнии. Разработана программа двумерного моделирования на ЭВМ ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях короткоканального МДП-транзистора.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объег работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 103 страницах, включая 40 рисунков и список литературы из 92 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенич обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и приведено краткое содержание диссертации.

В первой глав? приводится обзор литературы по анализу ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях и их влиянию на характеристики МДП-прибороэ, рассматриваются вопросы геттерирования подвижных ионов щелочных металлов пленками фосфоросиликатного стекла и хлорсодержа-щими пленками двуокиси кремния, делается вывод о необходимости развития теории ИДДП в диэлектрических слоях МДП-сгруктур, учитывающей участие ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов, и разработки методики нахождения значений физических параметров, определяющих протекание ИДДП, и формулируются задачи исследования.

Во второй главе излагаются основы теории геттерирования подвижных ионов в слоях фосфоросиликатного стекла, оксинитрида кремния и двуокиси крем-

ъ

ния, легированной хлором. Теория ИДДГ) учитывает участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругих полях, ассоциации и диссоциации.

Для описания ионных дрейфово-диффузионных процессов используется система уравнений, включающая уравнение Пуассона (1), уравнение непрерывности (2) с учетом участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации, уравнение для плотности потока (3), учитывающее диффузию и дрейф ионов в электрическом и упругом полях концентрационного и неконцентрационного происхождений и уравнение, описывающее кинетику захвата ионов (4):

дЕ(х () р(х,1)

дх ЕЕо ' <?Г =~ дх

(1)

+С-Д , (2)

(4)

О = аЫ3{х, I) , Я = Ь}>Г,(х,1)М2(х,0 , (5)

Л?2(дс,/) + ^(*,0=^0(х) (6)

с учетом граничных

£ (/(;), £(ЛГ^О+Т^л;/))<&=б/«7 . то = о (7)

и начальных Л'Ддг.О), Ы}(х,0),Е(хР) условий.

Здесь М/(лг,Г) и - концентрации свободных и захваченных ионов со-

ответственно; N0^x)и -полная концентрация центров захвата и кон-

центрация свободных центров захвата; р(х,Ц - объемная плотность заряда; Б и Я- темпы диссоциации и ассоциации соответственно; а •• Ъ-константы, характеризующие скорости диссоциации и ассоциации соответственно.

Выражение для объемной плотности заряда в случае ФСС и оксинитрида кремния имеет вид:

= + (8)

а в случае хлорной двуокиси кремния-

= . (9)

Градиент энергии взаимодействия иона с упругим полем может быть записан следующим образом:

ах ° дх

аъ

Ы,=СШ ¿(N¡ + N1) N} -сопя

(ды,

Введем обозначения:

д<Ь ' ах

0Ф

ЛГ/ -сокЛ NJ = спяя

В линейном приближении силовой параметр у и упругий энергетический параметр а можно считать константами. Тогда (10) перепишем а виде:

дх

\JNMt)

«?* + дх ] •

(11)

Подставляя (11) в (1), получим для плотности потока ионов следующее выражение:

ЩМ аЩЪ[ЩМ ¿Щхр]] ~Лс--■ <12>

3-Я

Система уравнений (1), (2), (4), (5), (6), (8), (9) и (12) с граничными условиями (7) и подходящими начальными условиями является, по сути дела, математической моделью ионных дрейфово-диффуэионных процессов, позволяющей описать генерирование подвижных ионов, т.к. учитывает взаимодействие ионов с центрами захвата (участие ионов в процессах ассоциации и диссоциации). Для раановесного состояния (./(*•,Ц=0, дН^к, 1)1 ¿>1 = 0 и ¿)NJ(x,t) 101 = 0) и равномерного распределения центров захвата в слоях фосфоросиликатного стекла и оксиниггрида кремния (Ыо(х)=Ыс) данная система уравнений мажет быть сведена к следующему дифференциальному уравнению:

1 +

а ее0 сШ (х)

ЧкТ

¿х

(¡3Е (х) £ (х) <1Е (х)

ахг

9т

йх

= О

(13)

где Е*(х) = Е(х) + у IЧ \ <Рт~ кТ/д -температурный потенциал. Решением этого уравнения является следующая система:

Хтх)-Т) =±(х+С2),С,>0 , (14)

Ф(*)1 2

(15)

,С,<0

Е*(х) > ~2<ртС,

(16)

где ; №*~-\±Е'(х)+^Е'2(х)+2р1С,+Х2Рт 1

^аеец Х<Рт1 J

1

; С, и

Сг - постоянные интегрирования, значения которых находятся из граничных условий (7).

Зависимость напряженности электрического поля от координаты (14) - (16) имеет неявный вид и в силу этого не обладает наглядностью. Найти юную зависимость напряженности электрического поля от координаты в дэтом случае можно только численным методом. Кроме того, (14Н16) не позволяют найти аналитические выражения для зависимостей потенциала и концентраций свободных и захваченных ионов от координаты. Сделать это представляется возможным для случая, когда взаимодействием ионов с упругим полем можно пренебречь (а "О и

У О):

^/СДлг+Сг)], Е(х) = 2<рт -(х+С}Г',

С,>0,

с, «е.

С,<0,

9

2<рг££д

С, sh-2yc¡(x+C2)], С,>0, <х+С2Г2, ' Cj=0,

?(*) « 2рг

\shUciU+C2)]

sh \jC,{d + C2)\

-In

x+Ci

In

d+C2

C,>0,

C^O,

C,<0

На основе моделирования на ЭВМ влияния упругих полей на равновесные распределения концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях фосфоросиликатного стекла й оксинитрида кремния установлено, что концентрационное упругое поле уменьшает оттеснение ионов к границам диэлектрика, а неоднородное упругое поле неконцеитрацуюиното происхождения является одной из при >ин асимметрии пространственною распределения ионов.

Расчет распределения концентрации ионов натрия по толщине двухслойного диэлектрика ФСС - двуокись кремния, выполненный в соответствии с предложенной теорией, показал, что ионы натрия накапливаются в пленке фосфоросиликатного стекла (рис. 1 ), т.е. происходит их генерирование. Это хорошо согласуется с известными экспериментальными данными (Yon Е., Ко W.H., Kuper A.B. II IEEE Trans Electron. Dev. 1966. Vol ED-13. N12. P.276-260).

Развита физическая модель нейтрализации ионов натрия в хлорсодержащих пленках двуокиси кремния, в основе которой лежит гипотеза о том, что ион натрия, являющийся в двуокиси кремния ионизированным донором, в области дефекта, обусловленного наличием хлора, становится акцептором с малым значением энергии' активации. Проведен расчет распределений свободного и захваченного натрия в пленке хлорной двуокиси кремния (рис. 2) и показано, что с увеличением содержания хлора растет степень нейтрализации ионов натрия

Я = ( /V,T - максимальная концентрация хлора) и уменьшается их

влияние на напряжение плоских зон в МДП-структуре (рис. 3).

N. см""

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 х/с!

Рис. 1 Равновесное распределение концентрации ионов натрия в структуре ФСС-двуокись креиния при 4*0 В.

1ЧС, см

0,5

0,2 0,4 0,6 0,8

0

1,0 х/а

Рис. 2. Теоретические распределения хлора (1}, иолов натрия (2) и ап.эиое натрия {3) по толщине пленки двуокиси креиния.

*ига,в

1

\

-5

О

5

10 и, В

Рис 3. Зависимость изменения напряжения плоских зон МДП-структуры с пленкой двуокиси кремния, легированной хлором от напряжения на диэлектрике: 1 -Я*<;2-Я=5, 3-К=10;4-1?«2О;б-ЛввО.

Разработаны алгоритмы и программы для расчета на Э8М распределений концентраций свободных и захваченных ионов щелочных металлов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях фосфоросиликатного стекла, окси-китрида креюмя, хлорной пленки двуокиси кремния и структуре ФСС - двуокись кремния.

В третьей главе исследуется влияние геттерирования ионов на динамику ионных дрейфово-диффуэионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур.

Экспериментально с помощью автоматизированного на базе ЭВМ комплекса для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-струяуре, разработанного и изготовленного в процессе выполнения диссертационной работы, проведены исследования ДВАХ и ТСТ структур Мо-ФСС-БЮгЯ.

Развита теория динамических вольт-амперных характеристик и термосгиму-лированных токов в диэлектриках МДП-структур, учитывающая как протекание

12

ИДДП в двухслойном диэлектрика ФСС-двуокись кремния, так и электронные процессы в полупроводнике. Ток протекающий через МДП-структуру может для известного напряжения на диэлектрика быть найден из решения следующей системы уравнений:

"/(0-^.5 от,

■ <2в<0 «5 £*№(*<)+(18) --— . (19)

дх

дплхл) >/(*,!) „,-'•„, ,

(20)

(21)

= , /) = ^(л,0Л^2(дг,0 , а = а„ех, (23)

Е'(х,1) = Е{х,1) + г'ч (24)

с учетом граничных

./(0,0 = 0 , А-(?/* . £ £(*<)<&= 1/,«) (25)

и начальных , , Е(х,0) условий.

Здесь в -площадь полевого электрода, Еа -знерги активации процесса диссоциации, ао-константа, характеризующая скорость диссоциации при Г-х», {/¿(<) = и а ±01- напряжение на диэлектрике в момент времени < , 1/0 - напряжение на диэлектрике в начальный момент времени, р - скорость изменения напряжения.

Решая совместно (17) - (25) численным методом, можно рассчитать неравновесные распределения концентрации ионов и напряженности электрического поля, динамические вольт-амперные характеристики МДП-структур и кривые термо-стимулированных токов для заданного напряжения на диэлектрике и температуры, изменяюи^эйся по линейному закону 7¿+/7 *» , где Тв •температура в начальный момент времени, fi'- скорость изменения температуры. Предложенная теория Д8АХ и ТСТ позволяет, добиваясь совпадения расчетных динамических вольт-амперных характеристик и кривых термостммулироаанных токоа с экспериментальными за счет варьирования значений физических параметров, опре-* делять значения этих параметров.

На рис.4 и рис.5 представлены соответственно экспериментальные и теоретические Д8АХ и ТСТ. Расчет проведен для следующих значений параметров: £¡to, «3,9; d * 6-10* см; Х. ■ 1-1 ff4 cu; а •= г-Ю^Дж-а/; г * МО*1 Н; Ы,*4ИГсм*; а, = Л,110' с"'; Ь »91<tuси/-с1; Е<»1,3зВ; fi'*1Kfc; U,*OB; О ■ 1 -10* IWcv? ;Г ■ S3$ К; 0 * 0.08 В/с.

I, Ю,0А

Рис. 4. Д8АХ структур Мо-ФСС-БЮ«^':1 - экеперииент; 2 - теория.

Из анализа данных представленных на рис.4 и рис.5 следует , что при соответствующем подборе параметров удается добиться хорошего совп?~чния рас-

u

четных и экспериментальных ДВАХ и ТСТ, что свидетельствует об адекватности предложенной физической модели ионных дрейфово-диффуэионных процессов.

Не основе анализа экспериментальных ДВАХ и кривых ТСТ структур Мо-ФСС-ЭЮгЯ разработаны методики нахождения важных физических параметров, характеризующих протекание ИДОЛ в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, таких как значение величины ионного заряда, энергии активами, параметров взаимодействия ионов с упругим полем, констант, характеризующих скорости диссоциации и ассоциации, и определены значения этих параметров.

1,10'" А 0,8 , 0,6 0,4 0,2

0 _

100 150 200 250 300 350 Т, "С

Рис. 5. Зависимость териостимулированного тока структуры Мо-ФСС-ЗЮгЯ! от температуры: 1 - эксперимент; 2 - теория.

Сравнительный анализ значений указа! .иых электрофизических параметров, найденных по предложенным методикам из обработки раздельно кривых ДВАХ и ТСТ, показал что имеет место хорошее совпадение значений соответствующих параметров, а именно:

из анализа ДВАХ: О •'(в,О ± 0,6).10'Кл/см', £.^(1,З Ю,1)зВ, а * (1,0Л О,1)-10" Дж-а?, г 'С-0 *О,1)-10"Н, о0 *(3,0 ( 0,4)10' с \

Ь *( 7,0 ± 1,0)-1<Ги си?-с ';

И

из анализа ТСТ: О^Э.ОИ.О/КГ'Кл/см*, Е."(1,3±0,1)зВ, а » (2,0 ±0,2)'1С3' Дж-еи3, гв(1,0±0,1)Ю" Н, а„е(4,0±0,5)М,с', Ь =(0,0 ± 0,9)Ю" си/-с'.

В четвертой главе рассматривается вопрос о влиянии степени компенсации подвижного заряда на его поведение в диэлектрических и полупроводниковых слоях. Для описания равновесных распределений подвижного заряда в указанных слоях можно воспользоваться уравнением Пуассона и условием дрейфово-диффузионного равновесия.

с!Е(х) Щх)- АГ

dx

- = q-

C£q

J{x) = pN(x)E(x)-D

dN(x) dx

0

где N(x) - полная концентрация положительно заряженных ионов в диэлектрике

или концентрация дырок в полупроводнике; N" - концентрация неподвижных отрицательно заряженных ионов (ионизированных акцепторов в полупроводника). В качестве граничных условий будем использовать следующие:

\äoN(x)dx~Qtq , jäoE(x)dx=U .

Получены аналитические выражения для N(x) в случае сильного отклонения

от электронейтральности для больших Ы(х) » N~ и малых N(x) « N~ концентраций подвижно, о заряда (формулы (26) и (27) соответственно):

- С/ cos"3 lo2

fc~,

lo

1<+C2)

(х+С2Г3 ' С, sh-2

^ix+Cj) j,

c,<0,

C]"0, C,>0 ,

(26)

N{x) = N(dl2)exp

' ^ J:.

(27)

где

l0 - ißkTeeo I q2N~ - характеристическая длина.

Детально рассмотрено поведение подвижных заряженных частиц е случае их большой концентрации при нулевом напряжении на диэлектрическом или полупроводниковом слое (первое уравнение из(26)).

Учитывая, что распределение заряда в этом случае симметрично относительно центра слоя, можно легко определить постоянные интегрирования

С/ = -N(<112)! , С} - -(112. Тогда выражение для концентрации заря-женньк частиц может быть записано а виде:

где 1, = 1о/N(d/2)l N~ = 2kTe£Q /q2N(d12) - длина экранирования. Показано, что с увеличением подвижного заряда его концентрация в центре слоя и длина экранирования стремятся к насыщению, а именно:

Nmc(dl2)=2n2kTee0iq2dг/

В случае слабого отклонения от электронейтральности.

N(x)l N~ » l ± ¿R(х) где SN(x)« I получено аналитическое выражение для концентрации подвижных заряженных частиц, которое имеет следующий вид:

h

421g Md 12)

42, d~

Проведено численное моделирование дрейфово-диффуэионных процессов в полупроводниковых и диэлектрических слоях для любой степени компенсации подвижного заряда ■ выполнен расчет пространственного распределена , концентрации ионов натрия в пленке двуокиси кремния при различных уровнях нейтрализации их заряда.

В пятой главе проведено двумерное моделирование ионных дрейфово-диффуэионных процессов в двухслойном диэлектрике ФСС-Двуокись кремния, изолирующем затвор в короткоканальном кремниевом МДП-транзисторе, представлены результаты расчета двумерных распределе' мй концентрации натрия в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния для различных моментов времени и проведен анализ влияния пространственного распределения ионов натрия на пороговое напряжение транзистора. Получено также аналитическое выр, е-ние для двумерного распределения потенциала электрического поля в полупроводниковой области МДП-транзистора для случая сквозного обеднения канала.

Данные исследования позволили сделать рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-транзисторов с целью отбраковки потенциально ненадежных изделий, что позволит значительно уменьшить объем экспериментальных исследований и будет способствовать снижению трудовых и временных затрат.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающая наряду с диффузией и дрейфом ионов в электрическом и упругом полях участие их в процессах ассоциации и диссоциации , и позволяющая описать геттерироаание подвижных ионов пленками фосфоросиликатнога стекла, оксинитрада кремния и дауоилси кремния, легированной хлором.

2. В одномерном приближении получены аналитические выражения, описывающие равновесные распределения концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях фосфоросиликатного стекла, оксинитрида кремния, хлорсодержащей пленке двуокиси кремния и структуре ФСС-двуокись кремния для однородного распределения центров захвата ионоа и слабого упругого поля, и аналитическое выражение для напряженности электрического поля в перечисленных диэлектрических слоях для среднего и сильного упругих полей. Показано, что расчетные распределения ионов натрия по толщине двухслойных диэлектриков ФС; двуокись кремния и пленок двуокиси кремния, легированных хлором, хорошо согласуются с аналогичными экспериментальными распределениями, известными из литературы.

3. Разработана теория динамических вольт-амперных характеристик и термо-стимулированных токов, обусловленных протеканием ионных дрейфово-диффузионных процессов в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния структуры Мо-ФСС-8Юг51 , учитывающая геперирование ионоа щелочных металлов слоем фосфоросиликатного стекла.

4. Разработаны методики нахождения значений физических параметров, определяющих протекание ионных дрейфово-диффузионных процессов в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния МДП-структуры, основанные на анализе экспериментальных ДВАХ и ТСТ в соответствии с предложенной теорией. Проведены экспериментальные исследования ДВАХ и ТСТ структуры Мо-ФСС-вЮгв! и найдены численные значения ионного заряда <3, эн ,>гии акги-

вации £., упругого вмвргатичеотго коэффициента а , силового параметра у, констант, характеризующих скорости диссоциации во и ассоциации Ь

из анализа ДВАХ: О *(6,0 ± 0,в)10'Кл/см', Е„ * (1,3 ±0,1) зВ, а* (1,0±0,1)10"Джек?, гп(1.0±0,1)10" Н, а, =(3,0±0,4)10' с1,

Ь*(7,0± 1,0)1(Г" см'с';

из анализа ТСТ: О *(9,0 ± 1,0)Ю* Кл/см', Ев *(1,Э ±0,1) зВ, аш(2,0± 0,2)1СГ" Дм«»?, г ' (1,0 ± 0,1) Ю" Н, в,'(4,0 ±0,5) 10'с1, Ь <*(8,0±0,9)-10" сн^с'.

5. Проведены теоретические исследования влияния степени компенсации заряда подвижных частиц в диэлектрических и полупроводниковых слоях на равновесные пространственные распределения концентрации заряженных частиц, напряженности и потенциала электрического поля. Для случаев сильного и слабого отклонений от элекгронейтралькости получены аналитические выражения для распределений конценграциг подвижных заряженных частиц, напряженности и потенциала электрического поля в полупроводниковых и диэлектрических слоях. Показано, что с увеличением подвижного заряда длина экранирования электрического поля, уменьшаясь, стремится к насыщению, определяемому отношением, толщины слоя к числу п.

6. Проведено двумерное моделирование ионных дрейфово-диффузионных процессов в двухслойном диэлектрике ФСС-двуокись кремния, изолирующем затвор в короткоканальном МДП-транзисторе На кремнии р-типа и показано, -что пространственное распредепение ионов существенно зависит от значений потенциалов затвора и стока, причем с увеличением потенциала стока ионы щелочных металлов смещаются к области истока и вследствие этого оказывают слабое влияние на пороговое напряжение транзистора. Сделаны рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-транзисторов с целью отбраковки потенциально ненадежных приборов. .

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Саполькоа А.Ю. Исследование ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях структур металл-диэлектрик-полупроводник И Всесоюзная студенческая научю-техническая конференция по проблемам экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов: Тез. докл. Новосибирск: НЭТИ. 1984. С. 73.

2. Романов В.П., Сапольков А.Ю. Гетгерирование ионов натрия пленкой фос-форно-сипикатного стекла // Дефекты структуры, методы их обнаружения, их

влияние на параметры твердотельных приборов: Сб. научн. тр. МИЭТ. М., 1984. С. 35-41.

3. Романов В.П., Сапольков А.Ю. Нестабильность напряжения плоских зон в МДП-структуре с хлорным окислом Н Вопросы микроминиатюризации РЭА и ЭВА Межвуз. сб. МИЭМ. М., 1988. С. 29-33.

4. Романов В.П., Ларионов 8. А, Сапольков АЮ. Особенности ионной дрейфово-диффузионной поляризации оксинитридов кремния Н Электреты и их применение в радиотехнике и электронике: Тез. докл. Всесоюз. конф. Москве, 1988. С. 6-7.

* S. Автоматизированный комплекс для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре / Т.И. Апексанян, А.Т. Берестов, В.П. Романов, АЮ. Сапольков и др. II Информационный листок о научно-техническом достижении N ЭО-86. Мосгор. ЦНТИ. 1990.3 С.

6. Интерфейсная плата ЦАП и АЦП с оптронной развязкой для ЭВМ типа ДВК/Т.И. Алексанян, АВ. Ларчиков, В.И. Бугаев, ДМ Epev?ee, АЮ. Сапольков II Информационный листок о научно-техническом достижении N 131-90. М<---ор. ЦНТИ. 1990.2с.

7. Программное обеспечение автоматизированного комплекса для измерения электрофизических параметров МДП-структур I Т.И. Алексанян, АЮ. Сапольков, В.П. Романов и др. // Программные средства МИЭТ: Сб. научн. тр. МИЭТ. М„ 1990. С. 40-41.

'в. Адаптивная программа регуляции температуры7 Т.И. Алексанян, П.М. Еремеев, АВ. Ларчиков, АЮ. Сапольков // Программные средства МИЭТ: Сб. научн. тр. МИЭТ. М., 1990. С. 41.

' Э. Пакет прикладных программ Трафик" для оформления научно-технической документации/ Т.И. Апексанян, П.М. Еремеев, АВ. Ларчиков, АЮ. Сапольков // Информационный листок о научно-техническом достижении N 123-90. Мосгор. ЦНТИ. 1990.2 с.

10. Система отображения многомерной информации Трафик* / Т.И. Алексанян, П.М. Еремеев, АВ. Ларчиков, А.Ю. Сапольков // Программные средства МИЭТ: Сб. научн. тр. МИЭТ. М., 1990. С. 39-40.

11. Расч динамических распределений ионов в диэлектрике МДП-сгрукгуры I Т.И. Алексанян, АВ. Ларчиков, АЮ. Сапольков, В.П. Романов II Программные средства МИЭТ: Сб. научн. тр. МИЭТ. М., 1990. С. 12.

12. Романов В.П., Ларчиков A.B., Сапольхов А.Ю. Ионные термостимулированные токи « диэлектрических слоях МДП-структур II Теоретические основы функциональной впвктроимвг. Сб. научи, тр. МИЭТ. М., 1990. С. 62-67.

13. Романов В П , Сапопьков А.Ю., Чаплыгин Ю. А. О существовании предельной концентрации носителей заряда в диэлектрических и полупроводниковых слоях при нарушении элегтронейтралььости II Физические основы микроэлек-троиных приборов: СО. научи, тр. МИЭТ., 1987. С. 22-27.

14. Двумерное моделирование ионных дрейфово-диффуэионных процессов в диэлектрическом слое короткоканального МДП-транэистора/ A.B. Ларчиков, H B. Островская, В.П. Романов, А.Ю Саполько» // Электрическая релаксация в элементах интегральных схем. М::МИЭМ. tS68 C. 35-42.

15. Двумерное моделирование влияния ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрике на пороговое напряжение ледп-трвнзисторз / Т. И. Алек-саняи, А.Ю. Сапольков If Математическое моделирование физических процессов в приборах микроэлектроники: Сб. научн.тр. МИЭТ. М-, 1969 С 58-64.

16. Двумерное моделирование влияния ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрике на нестабильность электрических характеристик и отка-.

. зы короткоканальных МДП-трвнэисгоров / АЮ. Сапопьков, Т.И. Апексанян, A.B. Ларчикоа, 8.П. Романов II Диагностика материалов и изделий микроэлектроники, вопросы качества и безотказности элементов и схем: Материалы Vfl Международной конференции по микроэлектронике. Т. 1. Материалы микроэлектроники. Минск. 1990. С. 260.

17. Автоматизированный Измеритель электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника а ЬЩП-струхтуре / AT, Берестов, В.Б. Вишняков, Р.П. Горшков, П.М. Еремеев, A.B. Ларчиков, В.П. Романов, А.Ю. Сапольков II Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов-Тез, докл. Научно - техн. конф. Нижний Новгород - Астрахань. 1992. С. 70-71. '

Заказ {¡У? Тираж 90. Объем 0,9 уч. изд. л. Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ).