Исследование зарядовой нестабильности МДП-систем в сильных электрических полях и разработка методов контроля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. №

АНДРЕЕВ Владимир Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДОВОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ МДП-СИСТЕМ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Специальность: 01.04Л0 — «Физика полупроводников и диэлектриков»

АВТОР ЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань— 1994 / '

Работа выполнена на кафедре «Конструирование и технология РЭС» Калужского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана н АО «Восход» (г. Калуга).

Научный руководитель — член-корреспондент Российской

Академии технологических наук, доктор физико-математических наук, профессор Вихров Сергей Павлович

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук, профессор Садофь-ев Ю. Г.

— кандидат технических наук, доцент Гармаш Ю. В.

Ведущая организация — научно-исследовательский институт материалов электронной техники (г. Калуга)

Защита диссертации состоится <а 2 О » г^Уу!994 г.

в 7 2_ часов на заседании специализированного совета

Д 063.92.02 в Рязанской государственной радиотехнической академии (390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан « '/5"» —1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических наук С&^И/ К. Федяев

ИГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совершенствование качества выпускаемой радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры неразрывно связано с проблемой повышения стабильности и надежности комплектующих ее элементов и микросхем. Явления зарядовой нестабильности оказывают существенное влияние на работу приборов на основе систем металл-днэлектрик-полу-проводпик (МДП), непосредственно влияя на их рабочие характеристики. Особое значение имеет исследование зарядовой нестабильности МДП-систем в сильных электрических полях, приводящих к инжекцни носителей заряда в диэлектрик. В результате появляется возможность определить механизмы деградации и критические режимы работы полупроводниковых приборов, наметить пути совершенствования технологии получения диэлектрических пленок, направленные на создание высоконадежных приборов.

Не только научное, но и большое практическое значение имеет исследование зарядовых характеристик структур с двухслойным диэлектриком 5Ю2—ФСС (фосфорно-силикатное стекло). Подзатворный диэлектрик со структурой БЮ2—ФСС используется во многих серийно выпускаемых полевых приборах с целью стабилизации их электрических параметров. Образование пленок ФСС наблюдается также в структурах

—ЭЮг — полнкристаллический кремний, легированный фосфором, являющихся основой современных БИС. При этом отсутствие надежных данных о характере зарядовой деградации МДП-систем с двуокисью кремния, легированной фосфором, не позволяет эффективно управлять изменением характеристик структур ЭЮг — ФСС и соответственно приборов, работающих на их основе, что не только снижает процент выхода годных изделий, но и затрудняет повышение их надежности.

Для исследования зарядовых явлений в диэлектрических пленках МДП-систем при критических воздействиях широкое применение нашли следующие экспериментальные методы: воздействия постоянным электрическим полем, облучения ионизирующей радиацией, лавинной инжекпии, фото-инжекции, инжекцин заряда постоянным током и т. д. Одним из наиболее перспективных среди рассмотренных методов является метод инжекции заряда импульсом постоянного тока, обладающий большой информативностью и экспрессностыо и легко поддающийся автоматизации. Таким образом, дальнейшее развитие данного метода, направленное на увеличе-

нне информативности и повышение точности обрабатываемых экспериментальных данных, а также его совместное использование с другими методами, представляет большой практический интерес.

Цель работы. Разработка методики определения основных электрофизических параметров диэлектрических пленок МДП-систем в сильных электрических полях и исследование зарядовых явлений в МДП-системах на основе пленок 5Ю2 и 5Ю2 — ФСС при высокополевой инжекции заряда. Поставленная цель вызвала необходимость решения следующих задач:

1) разработка инжекцнонного метода и установки комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-систем на базе метода высокополевон инжекции заряда импульсом постоянного тока;

2) комплексное исследование зарядовых явлений в МДП-системах с двухслойным диэлектриком БЮг — ФСС, изучение возможности управления электрическими параметрами подзатворного диэлектрика в процессе формирования ФСС;

3) усовершенствование технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-БИС, разработка конструкций новых приборов с использованием результатов, полученных в ходе работы.

Научная новизна.

1. Впервые получено выражение для описания ВАХ МДП-структуры при приложении к ней прямоугольного импульса гока на основе учета процесса заряда емкости МДП-струк-гуры.

2. Экспериментально показано, что средняя по площади пластины величина зарядов, инжектированных в диэлектрик до первого его пробоя, является показателем качества подзатворного диэлектрика МДП-системы.

3. Экспериментально установлено, что при инжекции электронов из 51 импульсом постоянного тока в диапазоне 10-7—10-5 А/см2 в МДП-системах п — Б! — БЮ2 — ФСС — А1 кинетика зарядовой деградации имеет полевую зависимость, в то время как при инжекции электронов из алюминия она практически отсутствует.

4. Впервые предложен метод определения концентрации фосфора в пленке ¿¡02 — ФСС по величине приращения напряжения на МДП-структуре в случае туннельной инжекции электронов из кремния в диэлектрик импульсом постоянного тока в диапазоне Ю-7—10~5 А/см2.

Практическая ценность работы.

1. Разработай ннжскцпонный метод и автоматизированная установка комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-систем, позволяющие измерять: емкость МДП-структуры, вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс зарядовой деградации, величину заряда, инжектированного в диэлектрик, вплоть до пробоя образца.

2. Разработаны четыре новых способа ускоренного измерения напряжения микропробоя (а. с. 1637603, а. с. № 1637604, а. с. № 1829787), позволяющие более чем па порядок повысить производительность контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев по ОСТ 11 20.9903—86.

3. Предложен способ определения плотности н центроида захваченного в диэлектрике заряда по результатам измерения приращения напряжения микропробоя при различной полярности верхнего электрода.

4. Разработан способ контроля зарядовой нестабильности МДП-систем по результатам измерения токов ТСД. Поляризация образца в данном способе осуществляется прямоугольным импульсом тока до достижения максимальной величины приращения напряжения на МДП-структуре (а. с. № 1632189).

5. Предложен способ контроля концентрации фосфора в пленке ФСС в Л\ДП-снстемах с двухслойным диэлектриком БЮг — ФСС по величине приращения напряжения па МДП-структуре в процессе туннельной инжекцин электронов при фиксированном значении инжектированного заряда.

6. На базе комплексных исследовании разработаны рекомендации по коррекции технологических режимов получения подзатворного диэлектрика, которые используются в технологическом процессе серийно выпускаемых КМДП-ИС 564 серии.

7. Разработаны конструкции высоковольтного слаботочного стабилизатора тока и низковольтного слаботочного стабилитрона, начат их серийный выпуск.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод расчета ВАХ МДП-структуры при приложении к ней прямоугольного импульса тока плотностью Ло на основе выражения:

¡¡щ (0 =-1о-с1[Сжл/7(1) -и^аШсй, (1)

где — ток инжекции; Смдл^) и и^дя^) —временные зависимости емкости и напряжения на МДП-структуре соответственно.

Предложенный метод можно использовать при условии, что изменение зарядового состояния диэлектрика много меньше величины инжектированного заряда.

2. Поддержание постоянным уровня ипжекцнн носителей заряда в подзатворный диэлектрик МДП-структуры за счет подачи прямоугольного импульса тока исключает влияние перераспределения внутренних электрических полей в диэлектрике на инжекцию, что упрощает измерение величины инжектированного заряда и параметров захваченного в диэлектрике заряда.

3. При инжекционных нагрузках в диапазоне токов Ю-7— 10-5 А/см2 в МДП-структурах п — — БЮ2 — ФСС — А1 зарядовая деградация обусловлена накоплением положительного и отрицательного зарядов в слое диэлектрика при инжекции электронов из кремния и накоплением отрицательного заряда при инжекции электронов из алюминия.

4. Приращение напряжения на МДП-структуре п — — Б¡02 — ФСС—А1 при туннельной инжекции электронов из кремния в диапазоне токов Ю-7—10~5 А/см2 пропорционально концентрации фосфора в пленке ФСС.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межвузовской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов в машино- и приборостроении» (Калуга, 1987); Научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (Калуга, 1988); Всесоюзный научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытании сложных технических систем» (Калуга, 1989); Региональной научно-технической конференции «Моделирование и автоматизация проектирования сложных технических систем» (Калуга, 1990); Региональной научно-технической конференции «Прогрессивные материалы, технологии и конструкции в машино- и приборостроении (Калуга, 1990); Региональной научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и проблемы математического моделирования» (Калуга, 1991); Третьей Всесоюзной конференции «Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов» (Кишинев, 1991); Международной научно-технической конференции «Физические аспекты надежнос-

тн, методы и средства диагностирования интегральных схем» (Воронеж, 1993); Российской научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем» (Калуга, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, из них 4 авторских свидетельства на изобретение. Результаты диссертационной работы вошли в 5 научно-технических отчетов по хоздоговорным НИР, выполненным при непосредственном участии автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 148 наименований и приложения. Она содержит 177 страниц сквозной нумерации, в том числе 131 страницу машинописного текста, 3 таблицы и 46 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрены: принятая в настоящее время классификация зарядов в системе — БЮг, особенности зарядовой структуры двухслойного диэлектрика ЗЮ2 — ФСС, процессы высокополевой инжекционной деградации в МДП-структурах с пленками ЗЮ2 и БЮг — ФСС, методы исследования и контроля зарядовой нестабильности подзатворного диэлектрика МДП-систем, метод высокополевой инжекции носителей заряда постоянным током.

Приводятся существующие в настоящее время классификации и схемы локализации зарядов в термических пленках БЮг на кремнии. Отмечается, что наибольший вклад в зарядовую нестабильность подзатворного диэлектрика при критических воздействиях могут вносить заряд, захваченный на ловушки в окисле, и заряд на поверхностных состояниях. Рассмотрены отличительные особенности зарядовой нестабильности в двухслойном диэлектрике ЭЮг — ФСС. Показано, что наряду с генерированием подвижного положительного заряда пленка ФСС способна поляризоваться. С пленкой ФСС связывается также образование электронных ловушек, ответственных за накопление отрицательного заряда в пленке БЮг — ФСС при инжекционных нагрузках.

Даны краткий анализ и характеристика методов исследования зарядовых явлений в диэлектрических пленках МДП-систем при инжекционных нагрузках. Особое внимание уделено рассмотрению метода высокополевой инжекции заряда постоянным током. Отмечена необходимость его дальнейшей разработки, направленной на повышение информативности и точности метода.

В результате были поставлены задачи и выбраны объекты для исследований.

Во второй главе предложен инжекционный метод комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-си-стем, основанный на приложении к исследуемому образцу прямоугольного импульса то'ка заданного уровня и учете процесса заряда емкости МДП-структуры. Метод позволяет измерять емкость МДП-структуры, вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс зарядовой деградации, величину заряда, инжектированного в диэлектрик, вплоть до пробоя образца. В рамках данного метода разработаны четыре новых способа измерения напряжения микропробоя, позволяющие значительно снизить время п повысить точность измерения, а также предложен способ измерения параметров захваченного в диэлектрике заряда по результатам измерения приращения напряжения микропробоя. Рассмотрены особенности совместного использования предлагаемого инжекционного метода и методов С—V и ТСД для контроля качества полупроводниковых приборов с МДП-структурой.

При использовании инжекционного метода для исследования зарядовой деградации диэлектрических пленок МДП-сис-тем, как правило, выполняется условие, что изменение зарядового состояния диэлектрика в течение всего процесса инжекции много меньше величины инжектированного заряда (¿¡щ. В этом случае при подаче на исследуемый образец прямоугольного импульса тока уравнение нейтральности заряда для МДП-структуры можно записать в виде:

<Зо=<Эс+д«»л (2)

где (Зо — заряд, подводимый к образцу (Ро = .1о-0; 1 —время; Ос — заряд емкости МДП-структуры.

Решая уравнение (2) относительно (Зм/, получаем выражение для определения величины заряда, инжектированного в диэлектрик:

<3/п/0)= Л.х/Ш^ СлдлЮ • иждлШ. (3)

Продифференцировав уравнение (3) по времени, получаем выражение для нахождения тока инжекции (1). Тогда, измеряя временные зависимости СМДц{{) и иЛ»лл(1) и используя выражения (3) и (1), можно определить величину заряда, инжектированного в диэлектрик, на любой стадии инжекции вплоть до пробоя образца и экспериментальную вольт-амперную характеристику исследуемого образца.

В большинстве случаев при использовании инспекционного метода выбираются такие условия измерения, что емкость МДП-структуры можно считать величиной постоянной. Тогда на начальном участке имдп(1), когда весь ток, протекающий через образец, является емкостным, по скорости заряда структуры определяют величину ее емкости:

Смдп = «1о ((ШмдяО)/^)-'. (4)

Важным параметром, который позволяет контролировать инжекционнын метод, является напряжение мнкропробоя (ОСТ 11 20.9903—86). Для уменьшения времени измерения и повышения точности были разработаны четыре новых способа измерения напряжения микропробоя. Первый основан на использовании выражения (1). Напряжение микропробоя в нем измеряют как напряжение на МДП-структуре в момент времени, когда инжекционнын ток равен пороговой величине. Второй способ (а.с. № 1637604) основан на анализе производной напряжения на МДП-структуре и позволяет исключить из расчетной формулы емкость МДП-структуры. Для удобства технической реализации и повышения точности были разработаны третий и четвертый способы. В третьем напряжение микропробоя определяют из анализа производной разности напряжений на эталонной емкости и МДП-структуре (а.с. № 1637603), а в четвертом способе — из отношения производных на МДП-структуре и емкости сравнения (а.с. № 1829787).

Предложено в рамках инжекционного метода контроль параметров захваченного в диэлектрике заряда проводить по результатам измерений приращения напряжения микропробоя при различной полярности верхнего электрода, которые характеризуют изменение электрического поля на двух противоположных границах раздела диэлектрика МДП-систем, вызванное захватом заряда. Использование напряжения ми'кропро-боя с учетом новых способов его измерения уменьшает влияние процесса контроля па зарядовое состояние диэлектрической пленки, а возможность сокращения времени измерения позволяет исследовать заряды с малым временем релаксации.

Рассмотрено совместное использование предлагаемого инжекционного метода и методов С—Ун ТСД. Отмечается, что использование для поляризации МДП-структуры токовых импульсов позволяет уменьшить влияние на условия поляризации изменения зарядового состояния диэлектрика, поскольку для обеспечения постоянного уровня протекающего через диэлектрик тока автоматически корректируется приложенное к МДП-структуре напряжение. В результате такой коррекции компенсируется изменение внутреннего электрического поля в диэлектрике, вызванное захватом и/или перераспределением заряда. Таким образом, упрощается определение величины инжектированного заряда и параметров захваченного в диэлектрике заряда. Изменение зарядового состояния диэлектрика контролируется по приращению напряжения на МДП-структуре, при максимальной величине которого появляется возможность определения параметров заряда в диэлектрике, обуславливающего наибольшую деградацию характеристик МДП-приборов.

Отмечается, что совместное использование инжекционного метода и методов С — V и ТСД дает возможность комплексного исследования зарядовой нестабильности МДП-снстем, позволяя спять неопределенности, связанные с параметрами заряда, захваченного в диэлектрике.

В третьей главе приведены: пример определения ВАХ МДП-структуры и результаты исследования зарядовой нестабильности и собственного пробоя в МДП-системах п —• — БЮг — А1 при использовании инжекционного метода.

Рассмотрен пример определения ВАХ МДП-структуры п — — БЮг — А1 инжекционным методом на основе выражения (1).

Установлено, что при инжекции электронов из кремния в диапазоне токовых импульсов 1СН5—10~3 А/см2 в термических пленках ЭЮг на начальной стадии инжекции (инжектированный заряд (^¿„/СЮ-4— 2-10~3 Кл/см2) происходит генерация положительного заряда. Величина и скорость генерации положительного заряда пропорциональны не только заряду, инжектированному в диэлектрик, но и амплитуде импульса тока, что свидетельствует об их полевой зависимости. Место локализации центроида положительного заряда находится у границы раздела — 5Ю2. Одновременно с образованием положительного заряда начинает возрастать плотность поверхностных состояний.и наблюдается захват электронов на ловушки с сечением захвата 8-10~18 см2 в объеме пленки БЮг.'

Экспериментально установлено, что в диапазоне токовых импульсов 10~6—10~3 Л/см2 собственный пробои в термических пленках БЮ2 определяется величиной заряда, инжектированного в диэлектрик. Отмечена полевая зависимость рГп1], проявлявшаяся в уменьшении заряда, инжектируемого в диэлектрик, до пробоя образца с увеличением амплитуды импульса тока. Для комплексного исследования качества диэлектрической пленки предложено проводить статистический контроль . По результатам такого контроля строится гистограмма распределения МДП-структур на исследуемой пластине по величине заряда, инжектированного в диэлектрик, до пробоя образца. Найден информативный показатель качества диэлектрической пленки—средняя величина зарядов, инжектированных в диэлектрик, до первого пробоя МДП-структур по площади пластины. На основе полученных экспериментальных данных все исследуемые МДП-структуры условно делились на три группы. В первую группу входили структуры, имевшие дефекты электрической изоляции и пробивавшиеся до возникновения высокополевой инжекции заряда. Вторую группу составляли потенциально ненадежные МДП-структуры, имевшие скрытые дефекты, для которых ОГп1] <15-10~3 Кл/см2. Образцы, пробивавшиеся при С}^1] ~ (25—45) • 10~3 Кл/см2, составляли третью группу и характеризовали электрофизические свойства бездефектного диэлектрика.

В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования зарядовых явлений в двухслойном диэлектрике БЮг—-ФСС, рассмотрены отличия зарядовой деградации диэлектрика при различной полярности иижекционного тока, изучено влияние концентрации фосфора в пленке ФСС на характеристики МДП-систем п — — БЮ2 — ФСС — А1. Нг основе полученных экспериментальных данных проведено уточнение моделей зарядовой деградации и собственного пробоя в структурах п — — БЮг — ФСС — А1.

Установлено, что в МДП-структурах п — — БЮг — ФСС — А1 при ипжекции электронов из импульсами постоянного тока ]0= 10—7—10 5 А/см2 кинетика зарядовой деградации имеет полевую зависимость, в то время как при инжекции электронов из А1 она практически отсутствует. Показано, что наличие полевой зависимости, заключающейся в уменьшении величины захваченного отрицательного заряда с увеличением амплитуды импульса тока, при положительной полярности иижекционного тока обусловлено образованием

положительного заряда в пленке БЮг. Получено, что при инжекцин электронов из Б! цеитроид отрицательного заряда локализован в слое ФСС у границы Б¡02—ФСС, а процесс его накопления обусловлен захватом электронов на ловушки с сечениями захвата 1,4-Ю-15 см2 и 3,2-10~16 см2. Измерения токов ТСД показали, что растекание отрицательного заряда, начинающееся от 300 К, происходит преимущественно через границу ФСС—А1, а энергия его активации составляет 0,3 эВ. При инжекцин электронов из А1 накопление отрицательного заряда определяется электронными ловушками двух типов, имеющих сечения захвата 1,4-10~15 см2 и 7-10~1бсм2, а его центроид расположен в объеме пленки ФСС. Растекание этого отрицательного заряда при измерении токов ТСД также осуществляется преимущественно через границу ФСС — Л1, а энергия его активации соответствует 0,12 эВ.

В результате исследования МДП-структур п——БЮг— ФСС—А1 с различной концентрацией фосфора в пленке ФСС (концентрация фосфора изменялась в пределах от 0,6 до 2|Г(1) при ипжекции электронов из в диапазоне импульсов тока ]о=10~7—10~5 А/см2 установлено, что у всех образцов наблюдается накопление отрицательного заряда с местом локализации его центроида в пленке ФСС у границы БЮ2 — ФСС, которое связано с захватом электронов на ловушки с сечениями захвата 1,4-Ю-15 см2 и 3,2-Ю-16 см2. Величина отрицательного заряда пропорциональна концентрации фосфора в пленке ФСС.

Показано, что для МДП-структур с двухслойным диэлектриком БЮг — ФСС, изготовленных по конкретному технологическому процессу, концентрацию фосфора (Ыр) в пленке ФСС можно измерить по величине приращения напряжения на МДП-структуре (лиЛ1д/7) в процессе туннельной инжекцин электронов из при фиксированном значении инжектированного заряда, если экспериментальную" зависимость ЫР = Г (диЛ(дп) прокалибровать с помощью другого независимого метода, позволяющего измерять концентрацию фосфора в пленке ФСС.

На основе полученных экспериментальных данных проведено уточнение моделей, описывающих зарядовую деградацию и собственный пробой подзатворного диэлектрика в МДП-системе п — — БЮг — ФСС—А1, при высокополевой ипжекции носителей заряда в диэлектрик.

В пятой главе приведено описание разработанных автором автоматизированных средств контроля зарядовой нестабильности МДП-систем. Рассмотрена возможность применения

ртутного зонда при использовании инжекциопного метода. На основе комплексных исследовании разработаны рекомендации по коррекции технологических режимов процесса получения подзатворного диэлектрика КМДГ1-ИС. С учетом результатов, полученных в ходе работы, разработаны конструкции высоковольтного слаботочного стабилизатора тока и низковольтного слаботочного стабилитрона.

Для реализации инжекциопного метода в производственных условиях была разработана автоматизированная установка контроля качества диэлектрических пленок (АУККДП). В состав установки входят: автомат для разбраковки микросхем на пластине «Зонд М680»; специально разработанный анализатор качества диэлектрических пленок (АКДП), осуществляющий подачу на исследуемый образец испытательных токовых импульсов и измерение контролируемых параметров; микро-ЭВМ «ДВК-3», обеспечивающая управление установкой и обработку результатов измерений. АУККДП имеет следующие основные технические характеристики: диапазон импульсов тока 10^10—А; амплитуда испытательного напряжения ±200 В; толщина исследуемых диэлектрических пленок 4—1000 им; емкость контролируемого образца 5—5000 пФ. Разработанная установка внедрена в опытную эксплуатацию на АО «Восход» (г. Калуга).

Приведены результаты исследования поверхности подзатворного диэлектрика ЗЮ2 — ФСС после контактирования ртутным зондом и сравнительный анализ эффективности стандартных методик очистки поверхности диэлектрика от остатков ртути. Установлено, что с учетом требований техники безопасности и обеспечения чистоты производственного оборудования приемлемо применение ртутного зонда в качестве контактирующего устройства при измерении электрофизических параметров пленочного диэлектрика.

Проведено исследование режимов операции термического отжига подзатворного диэлектрика КМДП-ИС 564 серии на АО «Восход» (г. Калуга). В качестве информативных показателей, количественно характеризующих качество диэлектрических пленок, использовались плотность электрически активных дефектов изоляции подзатворного диэлектрика и средняя величина зарядов, инжектированных в диэлектрик, до первого пробоя структур по площади пластины. Полученные экспериментальные зависимости позволили скорректировать режимы проведения операции высокотемпературного отжига с целыо получения подзатворного диэлектрика с оптимальными элек-

трофизическими характеристиками (Операционная карта технологического процесса ТВО 734 525 ТК2. Обработка термическая, лист 34).

На основе исследований изменения зарядового состояния диэлектрика S1O2 — ФСС под действием инжекции заряда разработаны конструкции высоковольтного слаботочного стабилизатора тока на основе ДМДП-транзистора (МС-СТ1 ТВО 205.002-16 ТУ) и низковольтного слаботочного стабилизатора на основе МДП-транзистора (MC—CHI ТВО205.002—15 ТУ), начат их серийный выпуск на АО «Восход» (г. Калуга).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан инжекционныи метод комплексного контроля параметров диэлектрических пленок МДП-систем, основанный на приложении к исследуемому образцу прямоугольного импульса тока заданного уровня и учете процесса заряда емкости МДП-структуры. Метод позволяет измерять емкость МДП-структуры, вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, временную зависимость изменения напряжения на структуре, характеризующую процесс зарядовой деградации, величину заряда, инжектированного в диэлектрик, вплоть до пробоя образца.

2. Предложены четыре новых способа ускоренного измерения напряжения микропробоя (а. с. № 1637603, а. с. №1637604, а. с. № 1829787), позволяющие более чем на порядок повысить производительность контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев по ОСТ 11 20.9903—86.

3. В рамках инжекционного метода контроль параметров захваченного в диэлектрике заряда предлагается проводить по результатам измерений приращения напряжения микропробоя при различной полярности верхнего электрода, что позволяет повысить точность и контролировать характеристики быстро релаксирующих зарядов.

4. Показано, что совместное использование инжекционного метода и методов С—V и ТСД дает возможность комплексного исследования зарядовой нестабильности МДП-систем, позволяя устранить неопределенности, связанные с параметрами захваченного в диэлектрике заряда. Использование токовых импульсов для поляризации МДП-систем уменьшает влияние на условия поляризации изменения зарядового состояния диэлектрика за счет компенсации изменения внутреннего электрического поля в диэлектрике, вызванного захватом и/или перераспределением заряда.

5. Экспериментально показано, что средняя по площади пластины величина зарядов, инжектированных в диэлектрик до первого его пробоя, является показателем качества подзат-ворпого диэлектрика МДП-снстемы.

6. Экспериментально установлено, что при ннжекцни электронов из кремния импульсом постоянного тока в диапазоне 10~7—10~5А/см2 в МДП-системах п — — БЮ2 — ФСС — А1 кинетика зарядовой деградации имеет полевую зависимость, в то время как при инжекции электронов из алюминия она практически отсутствует.

7. Найдено, что при туннельной ннжекцни электронов из кремния в пленках 5Ю2, легированных фосфором (концентрация фосфора в пленке ФСС от 0,6 до 2 %), плотность накапливаемого отрицательного заряда пропорциональна концентрации фосфора в пленке ФСС. На основе этой зависимости предложен метод определения концентрации фосфора в пленке БЮг—ФСС по величине приращения напряжения на МДП-структуре в случае туннельной ннжекцни электронов из кремния в диэлектрик импульсом постоянного тока 10~7—10~5 А/см2.

8. Для реализации инжекционного метода в производственных условиях была разработана автоматизированная установка контроля качества диэлектрических пленок, внедренная в опытную эксплуатацию на АО «Восход» (г. Калуга).

9. На базе комплексных исследовании разработаны рекомендации по корректировке технологичекнх режимов получения подзатворного диэлектрика, которые используются в технологическом процессе серийно выпускаемых КМДП-ИС 564 серии (Операционная карта технологического процесса ТВО 734.525 ТК2. Обработка термическая, лист 34) на АО «Восход» (г. Калуга).

10. На основе проведенных исследовании разработаны конструкции высоковольтного слаботочного стабилизатора тока на основе ДМДП-транзистора (МС-СТ1 ТВО 205.002-16 ТУ) и низковольтного слаботочного стабилитрона на основе МДП-транзистора (МС-СН1 ТВО 205.002-15 ТУ), на АО «Восход» (г. Калуга) начат их серийный выпуск.

В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях АО «Восход» (г. Калуга) и НИИ «Субмикрон» (г. Москва).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Барышев В. Г., Столяров А. А., Андреев В. В. Исследование особенностей накопления и растекания отрицательного

заряда в тонкопленочном диэлектрике // Электронная техника. Сер. 6. Материалы, 1986, вып. 4. С. 45—48.

2. Андреев В. В., Столяров А. А. Комплексная методика оценки зарядового состояния подзатворного диэлектрика МДП-структур // Прогрессивные технологии и конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов в машино- и приборостроении: Сб. тез. докл. Межвуз. н.-техн. конф. Калуга, 1987. С. 182—183.

3. Андреев В. В. Исследование зарядовой нестабильности структур — БЮ2 — ФСС —А1 при. туннельной инжекции электронов // Прогрессивные технологии и 'конструкции, механизация и автоматизация производственных процессов в машино- и приборостроении: Сб. тез. докл. Межвуз. н.-техн. конф. Калуга, 1987. С. 188—189.

4. Барышев В. Г., Столяров А. А., Андреев В. В. Зарядовая нестабильность тонкопленочного диэлектрика в системе — 8102 — ФСС—А1 при инжекции электронов из А1-электрода //Электронная техника. Сер. 6. Материалы, 1987, вып. 4. С. 59—61.

5. Столяров А. А., Андреев В. В. Физическая модель зарядовой нестабильности в структурах — БЮг — ФСС — А1 // Молодежь и научно-технический прогресс: Сб. тез. докл. н.-практич. конф. Калуга, 1988. С. 66—67.

6. Андреев В. В., Барышев В. Г., Гурбич А. Ф., Истомин И. В., Столяров А. А. Исследование поверхности пленочного диэлектрика после сканирования ртутным зондом // Электронная техника. Сер. 6. Материалы, 1988, вып. 4. С. 66—68.

7. Столяров А. А., Андреев В. В. Автоматизированная установка контроля качества диэлектрических пленок (АУККДП) // Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем: Сб. тез. докл. Всесогозн. н.-техн. конф. Калуга, 1989. С. 68—69.

8. Андреев В. В. Контроль зарядовой нестабильности подзатворного диэлектрика в полупроводниковых приборах с МДП-структурой // Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем: Сб. тез. докл. Всесоюзн. н.-техн. конф. Калуга, 1989. С. 69—70.

9. Андреев В. В., Барышев В. Г., Сидоров Ю. А. Столяров А. А. Инжекция тока в диэлектрик как метод оценки качества МДП-структур II Электронная техника. Сер. 6. Материалы, 1990, вып. 2. С. 64—66.

10. Андреев В. В., Барышев В. Г., Сидоров Ю. А., Столяров А. А. Повышение производительности контроля изолирующих свойств диэлектрических пленок / / Моделирование

и автоматизация проектирования сложных технических систем: Сб. тез. докл. Региональной н.-техп. копф. Калуга, 1990. С. 66.

11. Андреев В. В. Метод автоматизированного контроля полупроводниковых приборов с МДП-структурой / / Моделирование и автоматизация проектирования сложных технических систем: Сб. тез. докл. Региональной н.-техп. 'конф. Калуга, 1990. С. 77.

12. Андреев В. В., Сидоров 10. А. Исследование режимов проведения технологической операции отжига подзатворпого диэлектрика МДП-ИМС // Прогрессивные материалы, технологии н конструкции в машнпо- и приборостроении: Сб. тез. докл. Региональной н.-техи. конф. Калуга, 1990. С. 42.

13. Андреев В. В. Исследование пленок БЮг на ве // Прогрессивные материалы, технологии и конструкции в ма-шино- и приборостроении: Сб. тез. докл. Региональной н.-техн. конф. Калуга, 1990. С. 89.

14. А. с. 1632189 СССР. Способ контроля полупроводниковых приборов с МДП-структурой / / В. Г. Барышев, А. А. Столяров, В. В. Андреев. С приоритетом от 12.05.1989. ДСП.

15. А. с. 1637603 СССР. Способ измерения напряжения микропробоя МДП-структур / / В. В. Андреев, В. Г. Барышев, Ю. А. Сидоров, А. А. Столяров. С приоритетом от 07.08.1989. ДСП.

16. А. с. 1637604 СССР. Способ измерения напряжения микропробоя МДП-структур // В. В. Андреев, В. Г. Барышев, Ю. А. Сидоров, А. А. Столяров. С приоритетом от 07.08.1989. ДСП.

17. Андреев В. В., Барышев В. Г., Сидоров Ю. А., Столп-ров А. А. Комплексный инжекцнонный метод исследования надежности и деградации МДП-систем / / Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов: Сб. тез. докл. Третьей Всесоюзн. конф., ч. 2. Кишинев, 1991. С. 146.

18. Андреев В. В. Модель релаксации заряда в двухслойном диэлектрике БЮ2 — ФСС МДП-структур // Автоматизация исследования, проектирования и испытании сложных технических систем и проблемы математического моделирования: Сб. тез. докл. Региональной н.-техн. конф. Калуга, 1991. С. 38.

19. Андреев В. В., Вихров С. П. Определение характеристик заряда, накопленного в тонкопленочном диэлектрике, из измерений напряжения микропробоя // Автоматизация

исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и проблемы математического моделирования: Сб. тез. докл. Региональной н.-техн. коиф. Калуга, 1991. С. 39.

20. Андреев В. В., Барышев В. Г., Парфенов О. Д., Сидоров Ю. А., Столяров А. А. Коррекция.режимов термического отжига системы диэлектрик-полупроводник на базе информативных показателей качества диэлектрических слоев // Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1992, вып. 2—3. С. 66— 68.

21. Андреев В. В., Барышев В. Г., Вихров С. П., Сидоров Ю. А. Инжекционный метод комплексного контроля параметров пленочного диэлектрика в системе металл-диэлектрик-полупроводник // Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1992, вып. 4—5. С. 55—57.

22. Андреев В. В., Барышев В. Г., Вихров С. П. Влияние режимов формирования ФСС на электрофизические характеристики МДП-систем /'/Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных схем: Сб. тез. докл. Междунар. н.-техн. конф. Воронеж, 1993. С. 30—31.

23. Андреев В. В., Барышев В. Г., Вихров С. П. Инжекционный метод комплексного контроля параметров и надежности диэлектрической пленки МДП-структур / / Физические аспекты надежности, методы и средства диагностирования интегральных систем: Сб. тез. докл. Междунар. н.-техн. конф. Воронеж, 1993. С. 31—32.

24. Андреев В. В., Барышев В. Г., Вихров С. П. Зарядовые явления в термических пленках БЮг на кремнии при туннельной инжекции электронов / / Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем: Сб. тез. докл. Российск. н.-техн. конф. Калуга, 1993. С. 34.

25. Андреев В. В. Исследование собственного пробоя в пленках 5Ю2 и БЮг — ФСС на кремнии при туннельной инжекции электронов // Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем: Сб. тез. докл. Российск. н.-техн. конф. Калуга, 1993. С. 35.

26. А. с. 1829787 СССР. Способ измерения напряжения микропробоя МДП-структур / / В. В. Андреев, В. Г. Барышев, Ю. А. Сидоров, А. А. Столяров. С приоритетом от 19.03.1991. ДСП.