Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекции

Васютин, Денис Сергеевич

Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Васютин, Денис Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Калуга МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекции»

Автореферат диссертации на тему "Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекции"

На правах рукописи

Васютин Денис Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ ДЕФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ МЕТ АЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК В УСЛОВИЯХ СИЛЬНОПОЛЕВОЙ ТУННЕЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИИ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005045368

Диссертация выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Столяров Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Стрельченко Станислав Сергеевич

кандидат физико-математических наук, Михеев Николай Николаевич

Ведущая организация ФГБНУ «Научно-исследовательский

институт перспективных материалов и технологий»

Защита состоится «27» июня 2012 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» по адресу: 248600, Калуга, ул. Баженова, д. 2. Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу: г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5.

Автореферат разослан « » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основу современной микроэлектронной индустрии составляют кремниевые металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) технологии, доминирующие в цифровой технике и находящие все более широкое применение в аналоговой и микросистемной технике. Значительное число отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем приходится на диэлектрические слои. Особое значение качество диэлектрических слоев имеет для полевых приборов и интегральных схем на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник. Выявление потенциально ненадежных структур всегда имело важное значение для МДП-ИМС аппаратуры специального назначения. Остро да1шая проблема встала в настоящее время, когда производство ИМС характеризуется большой номенклатурой, малыми партиями, ограниченными сроками разработки и освоения производства. Обеспечение высокого качества изделий микроэлектроники в таких условиях предполагает разработку эффективных методов контроля качества и выявления потенциально ненадежных ИМС, позволяющих оценивать на ранних стадиях технологического процесса такие характеристики подзатворных диэлектрических слоев, как инжекционная стойкость, качество границы полупроводник-диэлектрик, плотность зарядовых дефектов, радиационную стойкость и др.

Особой чувствительностью к электрически активным дефектам обладают методы, использующие радиационные, термополевые, инжекционные воздействия. Одним из таких методов является силыгополсвая туннельная инжекция электронов по Фаулеру-Нордгейму в подзатворный диэлектрик. В целом деградационные процессы в МДП-структурах в критических условиях изучены достаточно подробно. Разработаны методы определения параметров и характеристик МДП-структур в условиях силыюполевой туннельной ин-жекщга. Однако они в большинстве своем не адаптированы к условиям производства интегральных схем. Определены механизмы и процессы накопления зарядов в диэлектрических слоях, изучена их кинетика. Однако широкому использованию данных методов препятствует недостаточная изученность процессов, протекающих в областях дефектов и локальных неоднородностей в критических условиях. Это связано с малыми размерами дефектов, невозможностью непосредственного изучения электрофизичеких процессов в областях локальных неоднородностей, что предполагает применение косвенных методов, и вызывает необходимость разработки новых подходов и методов исследования.

Поэтому актуальной задачей является разработка инжекционных методов оценки качества диэлектрических слоев и выявления потенциально нена-

дежных интегральных схем, основанных на исследованиях зарядовых дефектов в МДП-структурах в условиях сильных электрических полей.

Цель работы: установление физических механизмов накопления зарядов, особенностей переноса заряда и распределения полей в областях зарядовых дефектов, влияния их характеристик на устойчивость диэлектрических слоев к воздействию токополевых перегрузок при испытаниях и в процессе эксплуатации, а также разработка комплексного инжекционного метода контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- сформировать систему параметров для оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС;

- разработать модель накопления зарядов в МДП-структуре, содержащей зарядовые дефекты разных видов в режимах заряда емкости структуры и инжекции электронов в диэлектрик постоянным током;

- исследовать влияние характеристик зарядовых дефектов на изменение вольт-амперной характеристики (ВАХ) МДП-структур;

- на основе физического моделирования процессов накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур установить изменение их характеристик в условиях сильных электрических полей и инжекции носителей в различных электрических режимах, с последующим использованием результатов моделирования для разработки методик производственного контроля и прогнозирования их инжекционной и радиационной стойкости;

- исследовать влияние зарядовых дефектов на инжекционную стойкость диэлектрических слоев, изготовленных по разным технологиям;

- разработать производственный комплексный инжекционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур.

Научная новизна.

1. Разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры и инжекции электронов постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры.

2. На основе проведенного моделирования исследованы зависимости ВАХ МДП-структур с зарядовыми дефектами от плотности положительного заряда в диэлектрике, высоты потенциального барьера и толщины диэлектрической пленки в локальных областях зарядовых дефектов и проведена оценка параметров зарядовых дефектов структур, попадающих в главный пик гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя. 1

3. С использованием модели зарядового состояния МДП-структур с зарядовыми дефектами при сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния, учитывающие неравномерное протекание инжекционного тока,

проведены исследования электронных процессов в локальных областях зарядовых дефектов различной природы в условиях сильнополевой туннельной инжекции.

4. Выполнены исследования влияния зарядовых дефектов на инжекци-онную стойкость диэлектрических слоев МДП-структур с термической пленкой ЗЮг.

Практическая значимость работы.

1. Разработан инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур на ранних стадиях технологических процессов, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на нее импульсов постоянного тока, и аппаратура для его реализации в производственных условиях.

2. Разработана система параметров, характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур в условиях производства МДП-ИС.

3. Предложены алгоритмы инжекциопных воздействий и методики обработки результатов измерений, позволяющие характеризовать как дефекты изоляции, так и дефекты зарядовой стабильности.

4. Проведена апробация разработанных методик при аттестации технологических процессов получения диэлектрических слоев изделий микроэлектроники.

5. Предложены рекомендации по совершенствованию технолотческого процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов серии 2П7146 на ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и ОКБ «МЭЛ» (г. Калуга).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- результаты исследования влияния электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ диэлектрических слоев МДП-структур с термической пленкой БЮг и характера и степени изменения зарядового состояния и токовой нагрузки зарядовых дефектов в условиях сильнополевой инжекции;

- производственный комплексный инжекционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, на ранних стадиях технологического процесса, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на нее импульсов постоянного тока, позволивший осуществить единый подход к исследованию дефектности изоляции и зарядовой стабильности;

- результаты применения инжекционного метода оценки качества диэлектрических пленок для контроля зарядовой дефектности и стабильности МДП-структур в условиях производства МДП-приборов.

Апробация работы

центрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2009 г., 2010 г.), Региональных научно-технических конференциях "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Калуга, 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.), International conference "Physics of electronic materials" (Kaluga, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2005 - 2011 гг.), 18-20 Международном совещании "Радиационная физика твёрдого тела". (Севастополь, 2008 г., 2009 г., 2010 г.), I - IV Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, Калуга, 2008, 2009, 2010, 2011), I и III Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2008, 2010), 1-й Всероссийской школа-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (Москва, 2010), Международной научно-технической конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010), 41 Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ, 2011).

Личный вклад автора: разработан инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур и аппаратура для его реализации в производственных условиях; разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры и инжекции электронов постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры; выполнены все аналитические и экспериментальные исследования характеристик зарядовых дефектов в подзатворном диэлектрике МДП-структур; проведена интерпретация экспериментальных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых 2 - в рецензируемых журналах перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 140 страниц, включая 28 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 154 наименования.

Часть исследований проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК №16.740.11.0151 и П470, а также при финансовой поддержке РФФИ и администрации Калужской области (грант № 12-02-97533).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведенный анализ известных методов исследования и контроля МДП-структур в условиях силыюполевой туннельной инжекции показал, что они обладают недостаточной информативностью, не позволяющей комплексно характеризовать дефектность диэлектрических слоев.

Для реализации в условиях промышленного производства МДП-ИМС предложенного единого подхода к исследованию дефектов изоляции и зарядовых дефектов необходимо решить следующие задачи:

- исследовать влияние режимов испытаний на результаты контроля;

- исследовать процессы переноса и накопления зарядов в зарядовых дефектах;

- разработать систему параметров комплексно характеризующих дефектность диэлектрических слоев;

- определить методы измерения отдельных параметров;

- разработать методы применения аппаратных средств и методики контроля;

- выработать рекомендации к их применению.

Во второй главе на основе обобщения опыта оценки качества диэлектрических слоев при изготовлеЕши партий специализированных интегральных схем и полупроводниковых приборов сформирована система параметров для оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС и проведен выбор методов их определения.

Показано, что применение инжекциоиного метода и системы параметров при контроле качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика позволяет контролировать устойчивость диэлектрика к инжекции носителей, комплексно оценивать характеристики дефектности изоляции и зарядовой стабильности на основе единого подхода к их изучению, контролировать характеристики заряда диэлектрической пленки и параметры границы раздела.

Проведенный выбор методов определения параметров, характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур, дает возможность реализовать комплексный метод контроля, позволяющий оценивать в рамках одного метода дефектность изоляции, зарядовую дефектность, характеристики центров захвата носителей.

Разработан алгоритм инжекции заряда в диэлектрик и измерения параметров (рис. 1), входящих в систему параметров оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС.

Рис. 1. Временные зависимости токовой нагрузки (а) и напряжения на МДП-структуре (б), а также совмещенные гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя Умп и заряду, инжектированному до пробоя <3?? (с)

Предложена наглядная форма представления результатов контроля дефектности изоляции и зарядовой стабильности в виде совмещенных гистограмм распределений МДП-структур по напряжению микропробоя УМ1, и заряду, инжектированному до пробоя 0™(рис. 1, с).

На участке I МДП-структура заряжается постоянным током. На этом участке ток, протекающий через МДП-структуру, является чисто емкостным и емкость МДП-структуры будет обратно пропорциональна скорости изменения напряжения на МДП-структуре. На участке I определяется толщина диэлектрической пленки.

На участке II емкость МДП-структуры полностью заряжена. Ток, протекающий через МДП-структуру, является током инжекции равным измерительному току I]. На участке II измеряется напряжение микропробоя Умп= Уз, когда напряжение на МДП-структуре перестает изменяться и производная напряжения по времени стремится к нулю.

Затем в момент времени 14 на МДП-структуру подается стрессовый уровень тока Ь и инжектируется определенный заряд (на участке III происходит накопление положительного заряда) и проводится определение скорости накопления положительного заряда. Для определения скорости накопления положительного заряда измеряются напряжения в моменты и и 15, соответственно и У5. Скорость накопления положительного заряда определяется по формуле:

А()РШ = (ехо/Я) (У5- У4)/(15-14), где е - относительная диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика; е0 - электрическая постоянная; q - заряд электрона. На участке накопления отрицательного заряда (участок IV) - определяется скорость накопления отрицательного заряда:

Д<УД1= (еео/с0(У7- V«УМ7).

Максимальная плотность положительного заряда захваченная в диэлектрике может оцениваться по разности напряжений У4 и где Уш1г1 минимальное напряжение на участках III и IV:

«Зргаах = (ёЕ0/Я) (У4- УП11П).

В диэлектрический слой инжектируется заряд стрессовым током 12 до момента пробоя МДП-структуры, в который определяется 0ш)= ЬяОеш^).

По значениям 1ь Ь, У4 и У5 можно оценить величину потенциального барьера на инжектирующей границе раздела. Используя выражение для плотности тока сильнополевой туннельной инжекции по Фаулеру-Нордгейму, можно получить:

'4(2т'у/2 !(1/ЕС2-1/ЕС,)

Фв

1.5 | 1

где Ес, = У3/с1ох - напряженность электрического поля на катоде при плотности тока]ь ЕС2 = У4 /ёох - напряженность электрического поля на катоде

при плотности тока j2; m* - эффективная масса электрона; h - приведенная постоянная Планка.

Для применения предложенной методики контроля дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, реализующей единый подход к исследованию и контролю дефектов изоляции и зарядовых дефектов, требуется осуществить следующий порядок проведения измерений и испытаний при реализации комплексного метода контроля:

- выбираются измерительный и стрессовый уровни тока ипжекции, исходя из площади МДП-структур, толщины диэлектрика, временных ограничений;

- измеряется временная зависимость изменения напряжения на МДП-структуре при измерительном и стрессовом токах инжекции;

- определяются времена измерен™ параметров: t] tBD;

- проводятся измерения параметров на МДП-структурах;

- строятся совмещенные гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя и заряду, инжектированному до пробоя рис. 1, гистограммы распределения структур, по AQP/At, AQ„/At, QPmax;

- определяются количественные характеристики групп МДП-структур.

Кратко излагаются методы измерения и оценки параметров и характеристик. Рассмотрены экспериментальные установки, применяемые при исследовании зарядовых дефектов и определении параметров и характеристик исследуемых образцов. Для снижения влияния вибрации контактирующее устройство размещалось на экспериментальном образце системы активной защиты от вибрации, разработанном специалистами Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института кристаллографии им. A.B. Шубникова Российской академии наук (ИК РАН) в рамках выполнения проекта № 16.513.11.3093 от 26 июля 2011, работающей в диапазоне рабочих частот (0,2-300 Гц) и максимальным коэффициентом подавления колебаний 60 дБ.

В третьей главе приводятся результаты моделирования ннжекционно-стимулированных процессов зарядовой нестабильности в зарядовых дефектах МДП-структур в условиях силыюполевой туннельной инжекции.

Применение инжекционных методов исследований и испытаний существенно сдерживается тем, что многие физические механизмы процессов деградации в условиях сильных электрических полей остаются до сих пор до конца невыясненными, а интерпретации экспериментальных данных носит противоречивый характер. Это не позволяет выработать научно-обоснованный подход к выбору параметров исследуемых структур и режимов испытаний.

Предложена модель зарядовой нестабильности МДП-структур с термической двуокисью кремния, содержащих зарядовые дефекты в условиях силыюполевой туннельной инжекции. В модели МДП-структура представлялась в виде суммы площадей областей зарядовых дефектов с аномальными характеристиками и бездефектной части структуры. В пределах каждой из

областей процессы зарядовой нестабильности описывались на основе следующих моделей.

При моделировании процессов зарядовой нестабильности при неравномерном распределении туннельного тока МДП-структура представлялась состоящей из 1 областей: бездефектной части структуры площадью Б) и областей дефектов площадью 82, Яь.. Я.,. В режиме постоянного тока на начальном участке инжекции ток, пропускаемый через МДП-структуру 1о, будет распределяться между током инжекции в бездефектной части структуры 11( токами областей дефектов 12,13,.. 1п, и емкостным током:

= (1) Ш М СП

где j¡ - плотность тока в 1 области, С - емкость МДП-структуры в режиме аккумуляции; V - напряжение на структуре.

Поскольку рассматривались МДП-структуры, не содержащие грубых дефектов, оказывающих существенное влияние на вольт-амперную характеристику, напряжение микропробоя, которых находится в главном пике гистограммы распределения структур по напряжению микропробоя, то считалось, что и в бездефектной части структуры и в областях зарядовых дефектов с аномальными характеристиками осуществляется сильнополевая туннельная инжекция по Фаулеру-Нордгейму.

Плотности захваченных в 5Ю2 дырок определялись из решения методом Рунге-Кутта четвертого порядка дифференциального уравнения:

= ¿К -1КХ, -Р,Н -стш -р,, (2)

где р - плотность захваченных дырок; МР| - плотности дырочных ловушек; аР| - сечения захвата дырочных ловушек; стп1 = 3-10~13Е~3 см2 - сечения захвата электронов положительно заряженными центрами, образовавшимися в результате захвата дырок на ловушки в двуокиси кремния вблизи границы раздела полупроводник-диэлектрик (Е - напряженность электрического поля в диэлектрике МВ/см); -1) - коэффициенты генерации дырок.

Плотности электронов захваченных на ловушки в окисле:

с,, ■)>

1 - схр -

(3)

где Мп- плотности первичных ловушек, аи- сечения захвата.

Изменения зарядового состояния диэлектрика в дефектных и бездефектных частях МДП-структур описывались напряжениями сдвига ВАХ на участке туннельной инжекции:

ДУ„=ЛУШ1-ДУР1,

где АУті - напряжения сдвига ВАХ, обусловленные накоплением электронов на ловушках; ЛУР] - напряжения сдвига ВАХ, обусловленные накоплением положительного заряда.

Представленные модели зарядовой нестабильности МДП-систем с зарядовыми дефектами учитывают перераспределение тока между дефектной и бездефектной частями структуры и позволяют исследовать процессы накопления зарядов в диэлектрике зарядового дефекта как на начальном этапе инжекции при заряде емкости структуры, так и при длительной инжекции. Так как пробой подзатворного диэлектрика происходит в одном зарядовом дефекте, имеющем наиболее аномальные характеристики, то рассматривалось в основном изменение характеристик в этом дефекте.

На основе проведешшго моделирования исследованы зависимости напряжения микропробоя от плотности положительного заряда в диэлектрике, высоты потенциального барьера и толщины диэлектрической пленки в локальных областях зарядовых дефектов и проведена оценка параметров зарядовых дефектов структур, попадающих в главный пик гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя. Анализ полученных зависимостей изменений напряжений микропробоя от параметров зарядовых дефектов показывает, что существует определенный диапазон их изменений, в пределах которого зарядовые дефекты не могут быть зарегистрированы по результатам измерения напряжения микропробоя.

Проведена оценка характера и степени изменения зарядового состояния и токовой нагрузки зарядовых дефектов на начальном этапе инжекции, установлена зависимость интенсивности процессов накопления зарядов от соотношения площадей дефектной и бездефектной частей структуры и показана возможность локального увеличения токовой нагрузки в области зарядового дефекта.

Приведены результаты моделирования инжекционно-стимулированных процессов зарядовой нестабильности в условиях силыюполевой туннельной инжекции в зарядовых дефектах МДП-структур, связанных с наличием начального положительного заряда плотностью 10"-1013 см'2 с пониженным эффективным потенциальным барьером на границе раздела полупроводник-диэлектрик 2+2,8 эВ, и меньшей эффективной толщиной диэлектрика 80+100 нм, в режиме постоянного тока на начальном этапе инжекции заряда в диэлектрик для МДП-структуры находящейся в режиме аккумуляции.

В дефектах с эффективной толщиной диэлектрика 80+90 нм на начальном этапе инжекции наблюдалось преимущественное накопление положительного заряда (рис. 2, кривые 1-4), а в дефектах с меньшим эффективным потенциальным барьером - отрицательного (рис. 2, кривые 5-9). Изменения приращения плотности приведенного заряда и токовые нагрузки дефектных областей увеличивались с уменьшением высоты эффективного потенциального барьера и толщины диэлектрика.

В дефектах с толщиной диэлектрика 90+100 нм наблюдалась смена преимущественного накопления положительного заряда на накопление отрицательного заряда, характерное для бездефектной части структуры.

Токовые нагрузки и степень изменения зарядового состояния диэлектрика в дефектных областях возрастали с уменьшением высоты эффективного потенциального барьера, толщины диэлектрика, с увеличением отношения площади бездефектной части МДП-структуры к площади дефекта и с ростом плотности тока, пропускаемого через структуры.

Показано, что в областях дефектов с пониженным потенциальным барьером и меньшей толщиной диэлектрика происходит локальное увеличение плотности тока. Наибольшая токовая нагрузка наблюдалась на начальном этапе инжекции. Поэтому начальная стадия инжекции является наиболее опасной с точки зрения пробоя в области дефекта. Параметры областей дефектов МДП-структур: высота потенциально барьера 2 эВ и толщина 80 нм; являются критическими для плотностей токов 10'5 А/см2, пропускаемых через МДП-структуры. В таких дефектах наблюдаются плотности тока и инжектированного заряда, способные вызвать необратимый пробой.

Рис. 2. Временные зависимости приращения плотности приведенного заряда в дефектной области с толщиной окисла 80 нм и высотой потенциального барьера 2,2 эВ при протекании тока І0= Ю"7: 1,2,3,4,5 - Тох2=80 нм; 6,7,8,9,10 -фВ2 =2,2 эВ; при Эмов^: 1,6-103; 2,7-Ю4; 3.8-105; 4,9-Ю6; 5,10-Ю8

Таким образом, установленные механизмы и разработанные модели деградации МДП-структур с зарядовыми дефектами позволяют сформулировать практические рекомендации для проведения ускоренных инжекциониых испытаний с целью адекватного прогнозирования долговременной радиационной и инжекционной стойкости и надежности элементов МДП технологий.

В четвертой главе приведены результаты исследования зарядовой дефектности и стабильности МДП-структур и рассмотрены основные направления практического применения инжекционного метода опенки качества диэлектрических пленок в условиях промышленного производства МДГ1-приборов.

Установлено, что при контроле инжекционной стойкости МДП-структур инжекционным методом оценки качества диэлектрических пленок плотность инжекционного тока существенным образом влияет на вид и характер выявляемых дефектов зарядовой стабильности. Повышение плотности инжекционного тока, с одной стороны, увеличивает оперативность контроля, а с другой, приводит к ужесточению режимов испытаний и возрастанию количества структур, пробивающихся на начальном этапе инжекции, а также к уменьшению средней величины зарядов, инжектированных до пробоя. Гистограммы зарядов инжектированных в диэлектрик до его пробоя, для различных плотностей инжекционного тока приведены на рис. 3.

дви, Кл/см2

цу '

Рис. 3. Гистограммы распределения структур по заряду инжектированному в диэлектрик до его пробоя для различных плотностей инжекционного тока: 1-10 мА/см2, 2-2мА/см2, 3-0,1мА/см2.

Показано, что при контроле инжекционной стойкости МДП-структур разработанным методом плотность инжекционного тока существенным образом влияет на вид и характер выявляемых дефектов зарядовой стабильности. Повышение плотности инжекционного тока, с одной стороны, увеличивает оперативность контроля, а с другой приводит к ужесточению режимов испы-

таний и возрастанию количества структур, пробивающихся на начальном этапе инжекции, а также к уменьшению средней величины зарядов, инжектированных до пробоя. Следовательно, для комплексного контроля зарядовой стабильности необходимо иметь несколько гистограмм распределения зарядов, инжектированных до пробоя, измеренных при различных плотностях постоянного инжекционного тока.

На основе анализа совмещенных гистограмм предложена классификация МДП-структур по степени дефектности изоляции и зарядовой стабильности и разработана методика сравнения качества диэлектрических слоев при стрессовых воздействиях.

С использованием метода управляемой токовой нагрузки проведена сравнительная оценка дефектности изоляции и зарядовой стабильности МДП-структур, изготовленных по различным технологиям. Установлено, что проведение окисления во влажной среде при пониженных температурах окисления позволяет получать диэлектрические слои с повышенной инжек-ционной и радиационной стойкостью. Получены статистические распределения параметров, характеризующих процессы генерации и релаксации положительного заряда по пластине для МДП-структур, изготовленных по различным технологическим процессам. Установлено, что скорость стекания положительного заряда незначительно зависит от технологии изготовления подзатворного диэлектрика. Отмечается, что подзатворный диэлектрик, выращенный в парах воды, характеризуется меньшей генерацией положительного заряда при инжекции заряда в сильных электрических полях и большим числом вновь созданных электронных ловушек. Эти данные хорошо согласуются с моделью перераспределения водорода в диэлектрике после сильнополевой туннельной инжекции.

Проведена сравнительная оценка зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, изготовленных по различным технологиям. Определены оптимальные характеристики технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов.

Для реализации инжекционного метода оценки качества диэлектрических пленок была разработана автоматизированная установка инжекционного контроля диэлектрических пленок АУИКДП. В состав установки входят: специально разработанный, программно управляемый источник тока (ИТ); автомат для разбраковки микросхем на полупроводниковой пластине (например, "Зонд М6020"); персональный компьютер типа IBM PC. АУИКДП имеет следующие основные технические характеристики: диапазон выходных токов Ю'10- 10"2 А; амплитуда испытательного напряжения ±200 В; толщина исследуемых диэлектрических пленок 4 - 1000 нм; емкость контролируемого образца 5 - 5000 пФ. Разработанные установка и метод управляемой токовой нагрузки используются в производственном процессе на ЗАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Микрон» и применяются для контроля параметров подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов: 2П7146,2П7147,2П769, 2П767.

На основе методов, предложенных в диссертационной работе, разработана схема управления технологическим процессом получения подзатвор-ного диэлектрика МДП-транзисторов серии 2П7146 на ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) до и после проведения операции формирования поликремниевых затворов.

В заключении обобщены результаты проделанной работы.

В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы на предприятиях ЗАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Микрон» и ЗАО ОКБ «Микроэлектроники» (г. Калуга).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДІІ- структуры.

3. С использованием модели зарядового состояния МДП-структур с зарядовыми дефектами при сильнополевой туннельной ипжекции электронов из кремния, учитывающей неравномерное протекание инжекционного тока, проведены исследования электронных процессов в локальных областях зарядовых дефектов различной природы в условиях сильнополевой туннельной инжекции.

4. Выполнены исследования влияния зарядовых дефектов на инжекци-онную стойкость диэлектрических слоев МДП-структур с термической пленкой БЮг, полученной по различным технологическим режимам.

5. Разработан инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур на ранних стадиях технологических процессов, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на нее импульсов постоянного тока.

6. Разработана система параметров характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур в условиях производства МДП полупроводниковых приборов и ИС.

7. Предложены алгоритмы инжекционных воздействий и методики обработки результатов измерений, позволяющие характеризовать как дефекты изоляции, так и дефекты зарядовой стабильности в МДП-структурах и приборах на их основе.

8. Проведена апробация разработанных методик на при аттестации технологических процессов получения диэлектрических слоев изделий микроэлектроники на ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж).

9. Предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов серии 2П7146 на ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и ОКБ «МЭЛ» (г. Калуга).

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Исследование влияния режимов сильнополевой инжекции электронов на модификацию диэлектрических пленок МДП-приборов / Д.С. Васготин [и др.] //Перспективные материалы. 2009. № 2. С. 1924.

2. Контроль качества диэлектрических слоев интегральных микросхем и изделий микросистемной техники / Д.С. Васютин [и др.] // Наукоемкие технологии. 2010. Т. И, № 7. С.44-52.

3. Influence of High Field Electron Injection Regimes on Modification of Dielectric Films of MOS Devices / D.S. Vasyutin [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2010. Vol. 1, № 2. P. 105-109.

4. Активный чувствительный элемент детектора заряженных частиц на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник / Д.С. Васютин [и др.] // Радиационная физика твёрдого тела: Труды 17 Международного совещания. М., 2007. С.406-409.

5. Исследование влияния электронного облучения на зарядовое состояние МДП-структур / Д.С. Васютин [и др.] // Радиационная физика твёрдого тела: Труды 18 Международного совещания. М., 2008. С.371-377.

6. Инжекционно-термическая обработка подзатворного диэлектрика полупроводниковых приборов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник / Д.С. Васютин [и др.] // Радиационная физика твёрдого тела: Труды 19 Международного совещания. М., 2009. С.406-411.

7. Моделирование воздействия ионизирующих излучений на МДП-структуры в режиме силыюполевой инжекции / Д.С. Васютин [и др.] // Радиационная физика твёрдого тела: Труды 20 Международного совещания. М„ 2010. С.240-247.

8. Метод снижения времени инжекции заряда при модификации МДП-транзисторов / Д.С. Васютин [и др.] // Наукоемкие технологии в прибо-ро- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Мат. Всероссийской науч.-техн. конф. М., 2007. С. 196.

9. Васютин Д.С., Михальков A.M. Влияния режимов инжекционной модификации на зарядовое состояние нанометровых диэлектрических слоев МДП-транзисторов // Наноматериалы: Труды 1 Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. Рязань, 2008. С. 179.

Ю.Столяров A.A., Андреев Д.В., Васготин Д.С. Моделирование процессов инжекционной модификации наноразмерных диэлектрических пленок МДП-структур // Нанотехнологии функциональных материалов. (НФМ'10): Труды международной паучпо-технической конференции. Санкт-Петербург, 2010. С.624.

11.Investigation of injection modification influence on charge state of gate insulator in MOS devices / D.S. Vasyutin [et al.] // PEM'2008: Internation Conf. Proceed. Kaluga, 2008. P. 223-224.

12.Васютин Д.С, Бузунов H.B. Исследование зарядового состояния наноразмерных дефектных областей подзатворного диэлектрика МДП-структур // Наноматериалы: Труды III Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. Рязань, 2010. Т. 1. С. 15-16.

13.Васютин Д.С, Бузунов Н.В. Выявление наноразмерных дефектных областей подзатворного диэлектрика МДП-структур // Наноинженерия: Сборник трудов III Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. М., 2010. С.309-312.

14.Васютин Д.С, Бузунов Н.В. Исследование процессов изменения зарядового состояния дефектных областей диэлектрика МДП-структур //Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Мат. региональной науч-техн копф. М„ 2010. С.37-38.

15.Моделирование воздействия ионизирующих излучений на МДП-структуры с наноразмерными диэлектрическими плёнками / Д.С. Васютин [и др.] // Функциональные наноматериалы для космической техники: Труды 1-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых учёных. М., 2010. С. 140-143.

16.Изменение зарядового состояния МДП-структур при воздействии ионизирующих излучений / Д.С. Васютин [и др.] // Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине: Труды XI межвузовской научной школы молодых специалистов М.,2010. С. 19-25.

П.Столяров A.A., Андреев Д.В., Васютин Д.С. Моделирование воздействия ионизирующих излучений на структуры металл-диэлектрик-полупроводник // Тезисы докладов 41 Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами М 2011 С.161.

Васютин Денис Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ ДЕФЕКТОВ В СТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК В УСЛОВИЯХ СИЛЬНОПОЛЕВОЙ ТУННЕЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 23.05.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ №20

Отпечатано в Редакционно-издательском отделе Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана 248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, тел. 57-31-87

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Васютин, Денис Сергеевич

Введение.

ГЛАВА 1. Зарядовые дефекты и методы контроля дефектности структур металл-диэлектрик полупроводник и приборов на их основе.".

1.1. Дефекты изоляции и зарядовые дефекты МДП-структур.

1.2. Методы контроля дефектности МДП-структур.

1.3. Процессы накопления зарядов и генерации дефектов в МДП-структурах на основе термической двуокиси кремния в условиях сильнополевой туннельной инжекции.

1.4. Единый подход к исследованию и контролю дефектов изоляции и зарядовой стабильности диэлектрических пленок МДП-структур.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Разработка инжекционного метода контроля дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, реализующего единый подход к исследованию и контролю дефектов изоляции и зарядовой стабильности.

2.1. Система параметров комплексной оценки зарядовой нестабильности и дефектности МДП-структур.

2.2. Выбор инжекционных методов определения параметров. МДП-структур

2.3. Методика комплексной оценки зарядовой нестабильности и дефектности МДП-структур.

2.4. Экспериментальные установки, применяемые для исследования и контроля зарядовых дефектов в условиях сильнополевой инжекции носителей.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Моделирование процессов переноса и накопления зарядов в зарядовых: дефектах МДП-структур .:.

3.1. Исследование влияния характеристик областей зарядовых дефектов на напряжение микропробоя МДП-структур.

3:2. Модель зарядовой нестабильности МДП-структур, содержащих зарядовые дефекты.

3.3. Исследование процессов переноса заряда в зарядовых дефектах МДП-структур Si-Si02-poli-Si.

3.4. Моделирование процессов накопления зарядов в зарядовых.дефектах МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжек-циш.

Выводы к главе

ГЛАВА 4. Исследование процессов переноса и накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур в производстве: полупроводниковых приборов.'.;.9 Ii

4.1. Исследование влияние: режимов,: сильнополевой туннельной ин-жекции электронов в подзатворный диэлектрик МДП-структур на результатыхтатистического контроля зарядовой дефектности.

4.2. Влияние технологических факторов! на зарядовую дефектность МДП-транзисторов.

4:3. Автоматизированная установка контроля качества МДП-структур, реализующая? инжекционный метод контроля параметров диэлектрических слоев- в производственных условиях. Г1Ф

4.4. Оперативное управление технологическим процессом получения подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов:. 118'

Выводы к главе 4. 121:

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование зарядовых дефектов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в условиях сильнополевой туннельной инжекции"

Основу современной микроэлектронной индустрии составляет кремниевые МДП* технологии, доминирующие в цифровой технике и находящие все более широкое применение в аналоговой и микросистемной технике. Значительное число отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем приходится на диэлектрические слои. Особое значение качество диэлектрических слоев имеет для полевых приборов и интегральных схем на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник. Выявление потенциально ненадежных структур всегда имело важное значение для МДП-ИМС аппаратуры специального назначения. Остро данная проблема встала в настоящее время, когда производство ИМС характеризуется большой номенклатурой, малыми партиями, ограниченными сроками разработки и освоения производства. Обеспечение высокого качества изделий микроэлектроники в таких условиях предполагает разработку эффективных методов контроля качества и выявления потенциально ненадежных ИМС, позволяющих оценивать на ранних стадиях технологического процесса такие характеристики подзатворных диэлектрических слоев, как инжекционная стойкость, качество границы полупроводник-диэлектрик, плотность зарядовых дефектов, радиационную стойкость и др.

Особой чувствительностью к электрически активным дефектам обладают методы, использующие критические воздействия радиационные, термополевые, инжекционные. Одним из таких методов * является сильнополевая туннельная инжекция электронов по Фаулеру-Нордгейму в подзатворный диэлектрик. В целом деградационные процессы в МДП-структурах в критических условиях изучены достаточно подробно. Разработаны методы определения параметров и характеристик МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции. Однако они в большинстве своем не адаптированы к условиям производства интегральных схем. Определены механизмы и процессы накопления зарядов в диэлектрических слоях, изучена их кинетика, Однако широкому использованию данных методов препятствует недостаточная изученность процессов протекающих в областях дефектов и локальных неоднородностей в критических условиях. Это связано с малыми размерами дефектов; невозможностью непосредственного изучения электрофизичеких процессов в областях локальных неоднородностей, что предполагает применение косвенных методов, и вызывает необходимость разработки новых подходов и методов исследования.

Поэтому актуальной задачей является разработка инжекционных методов оценки качества диэлектрических слоев и выявления потенциально ненадежных интегральных схем основанные на исследованиях зарядовых дефектов в МДП-структурах в условиях сильных электрических полей.

Цель работы: установление физических механизмов накопления зарядов, особенностей переноса заряда и распределения полей в областях зарядовых дефектов, влияния их характеристик на устойчивость диэлектрических слоев к воздействию токополевых перегрузок при испытаниях и в« процессе эксплуатации, а также разработка комплексного инжекционного метода контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- сформировать систему параметров для оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС.

- исследовать влияние характеристик зарядовых дефектов на изменение вольт-амперной характеристике (ВАХ) МДП-структур;

Научная новизна

2. На основе проведенного моделирования исследованы зависимости ВАХ МДП-структур с зарядовыми дефектами от плотности положительного заряда в диэлектрике, высоты потенциального барьера и толщины диэлектрической пленки в локальных областях зарядовых дефектов и- проведена оценка параметров зарядовых дефектов структур, попадающих в главный пик гистограммы распределения^МДП-структур по напряжению, микропробоя.

3. С использованием модели зарядового состояния'МДП-структур с зарядовыми дефектами при сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния, учитывающие неравномерное протекание инжекционного тока, проведены исследования электронных процессов в локальных областях зарядовых дефектов: различной природы в условиях сильнополевой туннельной инжекции.

4. Выполнены исследования влияния зарядовых дефектов на инжекционную стойкость диэлектрических слоев МДП-структур с термической пленкой БЮг.

Практическая значимость работы

2. Разработана система параметров характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур в условиях производства МДП-ИС.

3. Предложены алгоритмы инжекционных воздействий и методики обработки результатов измерений', позволяющие характеризовать как, дефекты изоляции, так и дефекты зарядовой стабильности.

5. Предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов серии'2П7146 на ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и ОКБ «МЭЛ» (г. Калуга).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту результаты исследования влияния электрофизических параметров-зарядовых дефектов на ВАХ диэлектрических слоев. МДП-структур с термической пленкой 8Юг и характера и степени изменения зарядового состояния и токовой нагрузки зарядовых дефектов в условиях сильнополевой инжекции; - производственный комплексный инжекционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, на ранних стадиях технологического процесса, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на нее импульсов постоянного тока, позволивший осуществить единый подход к исследованию дефектности изоляции и зарядовой стабильности;

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2009 г., 2010 г.), Региональных научно-технических конференциях "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Калуга, 2007 г.,

2008 г., 2009 г., 201 От., 2011 г.), International conference "Physics of electronic materials!' (Kaluga, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2005 - 2011 гг.), 18-20 Международном-совещании "Радиационная физика твёрдого тела". (Севастополь, 2008 г.,

2009 г., 20Ю г.), I - IV Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, Калуга, 2008, 2009, 2010, 2011), I и Ш Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2008, 2010), 1-й Всероссийской школа-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотех-нологической сети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (Москва, 2010), международной научно-технической конференция «Нано-технологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010), 41 международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, МГУ, 2011).

Личный вклад автора: разработаны инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур и аппаратура для его реализации в производственных условиях; разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры и инжекции электронов постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры; выполнены все аналитические и экспериментальные исследования характеристик зарядовых дефектов в подзатворном диэлектрике МДП-структур; проведена интерпретация экспериментальных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Общие выводы

1. Разработана модель МДП-структуры с зарядовым дефектом в условиях заряда емкости структуры постоянным током, позволяющая исследовать, влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры.

2/ На основе проведенного моделирования исследованы зависимости ВАХ МДП-структур с зарядовыми дефектами от плотности положительного заряда в диэлектрике, высоты: потенциального барьера и толщины диэлектрической пленки в1 локальных областях зарядовых дефектов и проведена1 оценка параметров зарядовых; дефектов структур, попадающих в главный пик гистограммы распределения МДП-структур по напряжению мйкропро-боя. Л

3. С использованием модели зарядового, состояния МДП-структур; с зарядовыми: дефектами при сильнополевой туннельной инжекции электронов, из< кремния, учитывающей неравномерное: протекание инжекционного тока,' проведены исследования электронных процессов в локальных: областях зарядовых дефектов; различной природы в условиях сильнополевой туннельной инжекции:

4. Выполнены исследования влияния зарядовых дефектов на.: инжек-ционную стойкость диэлектрических слоев. МДП-структур; с термической пленкой 8Ю2.

5. Разработан инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур на ранних, стадиях технологических процессов, основанный; на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на,нее импульсов постоянного тока:

6; Разработана система параметров характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур в условиях производства МДП-ИС.

Заключение

Выполненная диссертационная работа позволила решить важную научно-техническую задачу, заключающуюся в установление физических механизмов накопления зарядов, особенностей переноса заряда и распределения-полей в областях зарядовых дефектов, влияния их характеристик на устойчивость? диэлектрических слоев к воздействию токополевых перегрузок при испытаниях и в процессе эксплуатации, а также- разработка комплексного инжекционного метода1 контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических пленок МДП-приборов.

В ходе выполнения работы были решины следующие задачи:

- сформирована система параметров для оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС;

- разработана модель накопления зарядов в МДП-структуре, содержащей зарядовые дефекты, разных видов в режимах заряда емкости? структуры и инжекции электронов в диэлектрик постоянным током;

- исследовано влияние характеристик зарядовых дефектов на изменение вольт-амперной характеристике (ВАХ) МДП-структур;

- на основе физического моделирования процессов накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур установлено изменение их характеристик в условиях сильных электрических полей и инжекции носителей в/ различных электрических режимах, с последующим использованием.резуль-татов моделирования для разработки методик производственного контроля и прогнозирования их инжекционной и радиационной стойкости;

- исследовано влияние зарядовых дефектов на инжекционную стойкость диэлектрических слоев, изготовленных по разным технологиям;

- разработан производственный комплексный инжекционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур.

123 '.■■'.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Васютин, Денис Сергеевич, Калуга

1. Андреев B.B., Барышев В.Г., Столяров A.A. Инжекционные методы исследования и контроля структур мегалл-диэлектрик-полунроводник: Монография //М.: Издательство M1."ТУ им: Н;Э. Баумана, 2004. 256 с.

2. РД 11 0755-90. Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказностей долговечность. // С-Пб.: ВНИИ «Электронстан-дарт». 1990:

3. Управление качеством электронных средств / Под, ред: O.II. Глудкина. М.: Высшая школа, 1992. 414 с.

4. Воробьев Г.А., Мухачев B.A. Пробой тонких диэлектрических пленок. М.: Сов. радио, 1977. 72 с.

5. Масловский В.М., Личманов Ю.О., Семанович Е.В. Влияние протяженных дефектов на пробой тонкопленочных. МДП-структур // Письма' в ЖТФ. 1993. Т. 19, вып. 24. С. 11-16.

6. Рабаи Ж.М., Чандракасан; А., Николйч Б. Цифровые интегральные схемы. Методология, проектирования: Издательство Вильяме ИД, 2007. 912 е.: ил.

7. Румак Н.В. Система кремний-двуокись кремния в МОП структурах. Минск: Наука и техника, 1986. 240 с.

8. Исследование природы сквозных пор в пленках двуокиешкремния на кремнии / B.C. Данилович и др. // Микроэлектроника. 1975. Т. 4, вып. 1. С.89-92.

9. Мустафаев Аб.Г., Мустафаев Ар.Г. Проблемы масштабирования; затворного диэлектрика для MOII-технологии // Нано- и микросистемная техника. . 2008: № 4: С: 117-22!

10. ЭдельмашФ;Jli СтруктурагкомпонентовгБИС; Новосибирск: Наукам . 1980. 256 с. ;

11. Физическая модель процесса старения МОП-структуры / М.А. Бу-. лушева и< др:'.;'У/" Физикамжтехника; полупроводников. 2010. Т. 44, выи. 4. ' С. 527-532.- '

12. Лукичев A.B. Проблема загрязненности; технологических; сред микрочастицами в1 современной: микроэлектронике // Электронная- промышленность. 1988. №3. С. 41-46.

13. Диэлектрики- в* наноэлектронике / В.А. Гриценко* и- др:. Новосибирск: Изд-во СО РАН; 2010. 258 с.

14. Введение в фотолитографию / Под ред. В.П. Лаврищева. М.: Энергия, 1977. 400 с.

15. Лабутин Н.И., Мартынов В.В., Павалайнян В.С. Перенос дефектов фотошаблона на пленки двуокиси кремния в> процессе контактной фотолитографии // Электронная техника. Сер. 7. 1971. Вып. 5. С. 41-44.

16. Денисюк В.А., Попов В.М. Влияние дефектов с аномально высокой скоростью генерации,на характеристики МДП-транзисторов // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1980. Вып. 1. С. 82-86.

17. Литвиненко С.А., Литовченко В.Г., Соколов В.И. Исследование процессов структурной релаксации, протекающих в системе кремний-окисел при ее формировании // Физика диэлектриков: Тезисы докл. Всесоюз. науч-но-техн. конф. Баку, 1982. С. 115.

18. Quantum-mechanical study of the1 direct tunneling current in metal-oxide-semiconductor structures / E. P. Nakhmedov et al. // J. Appl. Phys. 2006; - Vol. 95. - P.1203-1214:

19. Денисюк B.A., Попова В.М. Метод определения МДП-структур с аномально высокой скоростью генерации неосновных носителей! // Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация; метрология, испытания: 1975. № 1 Г. С.60-64.

20. Жарких Ю.С., Пятницкий В.В., Третяк О.В. Локализация заряда на гидрофобной и гидрофильной поверхности кремния и в ' окисной пленке

21. Микроэлектроника. 1997. Т. 26, вып. 6. С. 464-469.

22. Greeuw G., Bakker S., Verwey J.F. Influence of annual temperature on the mobile ion concentration in MOS structures // Solid, State Electron. 1984. Vol. 27, № l.P. 77-81.

23. Sze S.M., Ng K.K. Physics of Semiconductor Devices. New Jersey: Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2007. 794 p.

24. Барабан А.П., Булавинов B.B., Коноров П.П. Электроника слоев Si02 на кремнии. Л.: ЛГУ, 1988. 304 с.

25. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука, 1982. 320 с.

26. Релаксационные процессы в МДП-элементах интегральных схем, вызванные ионизирующим излучением и импульсным магнитным полем/ А.Г. Кадменский и др. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19, вып. 03. С.41-45.

27. Kimura М., Mitsuhashi J., Kogama Н. Si/Si02 interface states and neutral oxide traps induced by surface microroughness // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 77, №4. P. 1569-1575.

28. Гриценко В.А. Строение и электронная структура аморфных диэлектриков в кремниевых МДП-структурах. Новосибирск: Наука, 1993. 280 с.

29. Андреев В.В., Столяров А.А. Физические основы наноинженерии• /Под редакцией В.А. Шахнова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 224 с.

30. Красников Г. Я., Зайцев Н. А., Матюшкин И. В. К вопросу определения эквивалентной толщины оксида в МДП-транзисторах нанометровых размеров // Микроэлектроника. 2011. Т. 40, № 1. С. 30-35.

31. Plummer J.D., Deal М., Griffin P.D. Silicon VLSI Technology: Fundamentals, Practice, and Modeling // Prentice Hall Upper Saddle River, NJ. 2000. 807 p.129 ; •

32. Киселёв В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. Ml: Издательство Московского Университета; Физический факультет МГУ, 1999. 294 с.

33. Wenguang Z., Weimin L., Clengtao W. Characterization and tribologi-calHnvesttigation of Si©2 and Еа20з sol-gel' films // Applied Surface Science. 200K.Volil85i;P34r43;.

34. Андреев: В:B:, Барышев'ВТ7;, Столяров: А;А: Метод постоянного тока в.контроле МДП-структур // Петербургский;журнал электроники. 1997. №3. С.69-72.

35. The method of the MIS structure interface analysis / G.G. Bondarenko et ah. // Surface and Interface Analysis. 1999. Vol. 28. P: 142-145.

36. Метод многоуровневой токовой нагрузки, для исследования, генерации' и релаксации положительного> заряда: вiМДП-структурах / В.В. Андреевой др. // Микроэлектроника. 2003. Т. 32, № 2. С. 152-158.

37. Study of temperature dependence of positive charge generation in thin dielectric film of MOS structure; under high-fields / G.G. Bondarenko et al. // Thin solid films. 2006. Vol. 515. P. 670-673.

38. Метод двухуровневой токовой нагрузки для контроля параметров положительного заряда МДП-структур в сильных электрических полях / В.В. Андреев и др. // Перспективные материалы. 2003: № 5. С.94-99.'

39. Контроль качества диэлектрических слоев интегральных микросхем и изделий микросистемной техники / В.В. Андреев и др. //Наукоемкие технологии. 2010. Т. 11, № 7. С. 44-52.

40. DiMaria D.J., Cartier Е., Buchanan D.A. Anode-hole injection and trapping in silicon dioxide // J. Appl. Phys. 1996. Vol. 80, № 1. P. 304-317.

41. Gadiyak G.V. Hydrogen redistribution in thin silicon dioxide filmsrunder electron.injection in high field // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 82, № 11. P. 55735579:

42. Al-kofahiJ. S., Zhang J. F., Groeseneken G. Continuing degradation of the Si02 /Si interface after hot hole stress // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 6. P. 2686-2692.'

43. Generation and relaxation phenomena of positive charge and interface trap in a metal-oxide-semiconductor structure / Q.D.M. Khosru et al. // J. Appl. Phys. 1997. Vol: 81, № 6: P. 4494-4503:

44. Beyer V., Klimenkov J.*, Muller T. Current-voltage characteristics of metal-oxide-semiconductor devices containing Ge or Si nanocrystals in thin gate oxides // Journal of Applied'Physics. 2006. Vol.* 27. N. 1. P. 329-332.

45. Гадияк Г.В., Stathis J. Физическая модель и результаты численного моделирования деградации Si/Si02-CTpyKTypbi при отжиге в вакууме // ФТП. 1998. Т. 32, № 9. С. 1079-1082.

46. Гадияк Г.В. Моделирование распределения водорода при« инжек-ции электронов в пленках SiC>2 в сильных электрических полях // ФТП. 1997. Т. 31, № 3. С. 257-263.

47. DiMaria D.J., Buchanan D.A., Stathis J.H. Interface states induced by the presence of trapped holes near the silicon-silicon-dioxide interface // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 77, № 5. P: 2032-2040.

48. Nissan-Cohen Y., Shappir J., Frohman-Bentchkowsky D. High-field and current-induced1 positive charge in thermal Si02 layers // J і. АррГ. Phys. 1985. Vol. 57, № 8. P. 2830-2839;

49. RiccoiBi, FischettiiMiV. Temperature dependence of the current in Si02 in the high field tunneling regimme// J.Appl: Phys. 1984. Vol. 55, №12. P.2557-2562. . .

50. Solomon.Pi, Klein N: Impactionization im silicon dioxide: at fields, in. breakdown range // SolidiState:Communications;, 1975. Vol. 17, Л"« 111 P. 13971400: '

51. Fischetti M.V. ModeFforthe generation ofpositivechargerat the: Si-Si02 interface ; based ;опШо^Ьо1е;гщёсй^^

52. Vol. 31, №4. P. 2099-2106.

53. Нагин А.П., Тюлькин B:M. О механизме генерации положительного заряда в структуре Si- Si02 в сильных полях // Письма ЖТФ. 1982. Т. 8, вып. 23. С. 1423-1427.

54. Chen С., Wu С. A characterization model for constant current stressed voltage-time characteristics of thin; thermal: oxides grown on? silicon, substrate // J. Appl. Phys. 1986. Vol. 60, № 11. P. 3926-3944.

55. Зарядовая деградация МДП-систем с термическим оксидом • крем-няя, пассивированным фосфорногсиликатным стеклом,. при высокополевойтуннельной инжекции / В:В. Андреев и др. // Микроэлектроника.: 1997. № 6. G.640-646.

56. Hydrogen induced positive charge generation int gate oxides / J.F. Zhang et al.;//L Appl. Phys. 2001. Vol. 90, № 4. P. 1911-1919.

57. Zhang J.F., Al-kofahi I.S., Groeseneken G. Behavior, of hot hole stressediSi©2/Sfcinterface, at elevated;temperature7/ JC. Appl: Phys; 19971 Vol: 8T,» № 6; P: 843-850:

58. Гуртов В.А. Влияние ионизирующего излучения на свойства МДП-приборов // Обзоры по электронной технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1978: Вып.4. С.3-31.

59. Ultrathin (<4 nm) Si02 and Si-O-N gate dielectric layers for silicon microelectronics: Understanding the processing, structure, and physical and electrical limits / M.L. Green et al. // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 90, №<5. P. 20572121.

60. Столяров A.A. Высокополевая туннельная инжекция в системахчметалл-диэлектрик-полупроводник и разработка методов их контроля: Диссертация на соискание ученой степени д-ра. техн. наук. М., 1998. 432 с.

61. Технология СБИС / Под ред. С.М. Зи. М.: Мир, 1986. Кн. 2. 404 с.

62. ОСТ 1120.9903-86. М.: 1986. 18 с. 52

63. Демидова Г.Н., Глудкин О.Н., Черняев В.Н. Диагностика дефектов диэлектрика с помощью исследования' начального пробоя МДП (МДМ)-структур // Микроэлектроника. 1982. Т. 11, № 4. С. 356-366.

64. JESD35-A Procedure for the Wafer-Level Testing of Thin Dielectrics, April 2001.

65. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов A.B. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М.: Энергоатомиздат, 1988. 256 с.

66. Радиационные эффекты в короткоканальных МДП-приборах /М.Н: Левшги>др. //Микроэлектроника. 1992. Т. 21, вып. 2. С. 34-41'.

67. Влияние электронного облучения на характеристики МДП-структур при исследовании в растровом электронном микроскопе-/М.Г. Картамышев и др. //Микроэлектроника. 1990. Т. 19, вып. 1. С. 22-30.

68. Altken J.M., Yuong D.R. Electron* trapping by radiation induced positive charge in Si02// J. Appl. Phys. 1976. Vol. 47. P. 1196-1201.

69. Altken J.M., Yuong D.R., Pan K. Electron trapping in electron-beam irradiated Si02 // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49. P. 3386-3391.

70. Андреев B.B. Контроль МДП-структур методами управляемой токовой нагрузки и токов термостимулированной деполяризации // Перспективные материалы. 2000. № 4. С.91-96.

71. Исследование зарядовой деградации МДП-структур в сильных электрических полях методом управляемой токовой нагрузки / В:В. Андреев-, и др. // Микроэлектроника. 2000. Т. 29, № 2. С. 105-112.

72. Способ'измерения напряжения микропробоя МДП-структур: патент 1829787 РФ от 27.11.2001 / В.В.Андреев, В.Г. Барышев, Ю.А.Сидоров, А.А". Столяров:

73. Влияние температуры на накопление положительного заряда- в МДП-структурах в условиях сильнополевой инжекции / В.В: Андреев и др. // Перспективные материалы. 2006. № 4. С. 32-37.

74. Исследование влияния- режимов сильнополевой инжекции электронов на модификацию диэлектрических пленок МДП-приборов / В.В. Андреев и др. // Перспективные материалы. 2009. № 2. С. 19-24.

75. Influence of High Field Electron Injection Regimes on Modification of Dielectric Films of MOS Devices / V.V. Andreev et al. // Inorganic Materials: Applied Research: 2010: Vol. 1, № 2. P. 105-109.

76. Васютин Д.С., Бузунов Н.В. Выявление наноразмерных дефектных областей подзатворного диэлектрика МДП-структур // Наноинженерия: Сборник трудов III Всероссийской школы-семинара*студентов, аспирантов и молодых ученых. М4., 2010. С. 309-312.

77. Свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник / Под ред. АВ< Ржанова. М.: Наука, 1976. 219 с.

78. Швец В.А., Рыхлицкий C.B. Метод эллипсометрии в науке и технике // Автометрия. 1997. № 1. С. 5-15.

79. Метод снижения времени инжекции заряда при модификации МДП-транзисторов / В.В. Андреев и др. // Наукоемкие технологии в при-боро- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Мат. Всероссийской науч.-техн. конф. М., 2007. С. 196.

80. Investigation of, injection modification influence on charge state of gate insulator in MOS devices / V.V. Andreev et al. // PEM'2008: International' Conf. Proceed: Kaluga, 2008. P. 381.

81. О физическом прогнозировании надежности тонкопленочных, конденсаторов / З.Ф. Воробей и др. // Электронная техника. Сер. 8. 1974. Вып. 2. С. 91-93.

82. Устройство для измерения пробивных напряжений полупроводниковых приборов: а.с. 307360 СССР / Е.З. Рыскин. Опубл. 1971'. Бюлл. №20:

83. Рыскин Е.З. Измерение пробивных напряжений на уровне микротоков // Электронная промышленность. 1974. Вып.4. С.29-30.

84. Gabler W., Conrad R., Braeunig К. Semiautomatic measurements of thin-film break down voltages // Rev. Sei.Instrum. 1979. Vol. 50, № 10. P. 12181222.

85. Способ измерения напряжения микропробоя МДП-структур: а.с. 1342252 СССР /В.Г. Барышев, В:Е. Каменцев, A.A. Столяров. Опубл. 1987.

86. Барышев B.F., Столяров A.A. Исследование дефектности тонкопленочного диэлектрика методом микропробоя // Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1983. Вып.9. С. 72-74.

87. Сравнительная.оценка методов контроля.дефектности диэлектрических пленок / B.F. Барышев и др. // Электронная техника. Сер.6. Матери- ' алы. 1990! №1. С.72-76.

88. Андреева ВІВ: Высокополевая туннельная* инжекция> в системах, металл-диэлектрик-полупроводник и разработка* методов, их контроля: Диссертациям соискание ученой степени д-ра техн. наук. Mi, 20021

89. Weinberg Z-.A. On tunneling im metal-oxide-silicon structures // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53, № 7. PI' 5052-5056.

90. Lenzlinger Ml, Snow E.H. Fowler-Nordheim tunneling in to.thermally grown-Si02 // Ji Appl. Phys. 1969. Vol. 40, № 1. P. 278-286:

91. Andreev V.V., Baryshev V.G., Stolyarov А.А. Instability of the parameters of dielectric layers under conditions of high-fields injection» stresses // Journal of advanced<materials. 1995. Vol. 2. P. 451-457.

92. Chen G.F., Wu C.Y. A characterization model for rampvoltage-stressed'I-V characteristics of thin thermal oxides grown silicon substrate // Solid State Electronics. 1986. Vol! 29, № 10. P. 1059-1068.

93. Hokari Y. Dielectric breakdown wear out limitation of thermally-grown thin-gate oxides // Solid-State Electron. 1990. Vol. 33.' P. 75-78.

94. Андреев^ B.B; Сильнополевая зарядовая, деградация; МДП-структур Si-SiCVOCC-AL при высоких плотностях туннельного тока // Тез. докл. 3 Международной конференции* по электромеханике и электротехнологии. Клязьма, 1998. С. 59.

95. Piyas Samanta, Sarcar C.K. Coupled charge trapping dynamics in thin Si02 gate oxide under Fowler- Nordheim stress at low electrical fluence // J. Appl. Phys. 1998. Vol. 83, № 5. P. 2662-2669.

96. Miranda E., Redin G., Faigon A. An effective-field approach for the Fowler-Nordheim tunneling current hrough a metal-oxide-semiconductor charged barrier // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 82, № 3. P.* 1262-1265.

97. Lee S.M., Cahill David G. Heat transport in thin dielectric films //J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 6. P. 2591-2595.

98. Chen Chun, Wilson William L., Smayling Michael. Tunneling induced" charge generation in Si02 thin films // J. Appl. Phys. 1998. Vol. 83, № 7. P. 38983905.

99. Lenahan P.M., Conley J.F.Jr., Wallase B.D. A.model of hole trapping in Si02 films on silicon // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 10. P. 6822-6824.

100. Umeda Kazunori, Tanigchi Kenji. Hot-electron-induced quasibreak-down of thin gate oxide // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81, № 1. P. 297-302.

101. Cai Jin, Sah Chih-Tang. Theory of Thermally stimulated charge in me-tai-oxide-semiconductor gate oxide // Jt Appl. Phys. 1998. Vol. 83, № 2". P. 851857.

102. Kim Jong-Hyun, Sanchez Julian J., DeMassa Thomas A., Quddus Surface plasmons and breakdown in thin silicon dioxide* films on silicon //J. Appl. Phys. 1998. Vol. 84, № 3. P.' 1430-1438.

103. Briere O., Cottin P., Straboni-A. Comparisonof rapid ramp voltage and tunneling injection stress experiments for the -characterization of thin MOS gate oxides // J. of Non-Cryst. Solids. 1995. Vol. 187. P. 190-194.

104. Андреев B.B. Контроль инжекционной стойкости структур металл-диэлектрик-полупроводник в сильных электрических полях // Перспективные материалы. 2002. № 2. С.89-93.

105. Зарядовая дефектность диэлектрических слоев МДП-структур /Г.Г. Бондаренко и др.'// Физика и химия обработки материалов. 2001. № 4. С.94-99.

106. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров A.A. Исследование модели зарядового состояния системы Si-Siö2-OCC-Al // Труды МЕТУ. 1998: №571. С.22-29.

107. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров A.A. Модель зарядового состояния системы Si-SiCb-OCC-Al в; условиях, сильных, электрических полей и интенсивных токовых нагрузок // Труды МГТУ. 1998. № 571. С.30-37. .

108. Моделирование воздействия ионизирующих излучений на МДП-структуры в режиме сильнополевой инжекции / ДБ. Андреев и др. // Радиационная физика твёрдого^ тела: Труды 20 Международного совещания. Ml, 2010. С. 240-247.

109. Исследование начального несобственного пробоя и дефектов вдиэлектрике МОП-структур на основе кремния / Г.Н.Демидова, и др.*

110. Микроэлектроника. 1983. Т. 12, вып. 1. С. 24-28.

111. Tsujikawa S., Yugami J. Positive charge generation due to species of hydrogen during NBTI phenomenon in pMOSFETs with ultra-thin SiON gate dielectrics // Microelectronics Reliability. 2005. - Vol. 45. - P. 65-69.

112. Назаров A.H'.,/Лысенко B:C. ВЧ плазменная обработка как метод радиационно-термического- наводораживания микроэлектронных кремниевых структур //Микроэлектроника. 1994. Т.23. № 4. С.45-65.

113. Felnhofer, D. Gusev, Е. P. Buchanan, D. A. Photocurrent measurements for oxide charge characterization of high-к dielectric metal oxide semiconductor capacitors // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103. N. 5. P. 054101 054101-10.

114. Панасюк B.H., Кузин C.M., Петрова А.Г. Тенденции развития ме-\ тодов и системы операционного контроля технологии СБИС // Электронная промышленность. 1994. № 3. С.38-44.

115. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ВЗПП МИКРОН»

116. Разработанный в диссертационной работе инжекционный метод оценки качества диэлектрических пленок, используется для контроля параметров подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов: 2ГГ7146,2117147, 211769. 2П767.

117. По результатам исследований Васютиным Д.С. даны рекомендации и осуществлена корректировка технологических режимов процесса получения подзатворного диэлектрика серийно выпускаемых МДП-гранзисторов: 2П7146, 2П7147, 2П769. 2П767.

118. Главный конструктор ¿V? ЮЛ. Фоменко

119. Руководитель проектов по СПП A.B. Коновалов1. УТВЕРЖДАЮ»

120. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

121. Опытно-конструкторское бюро микроэлектроники»1. ЗЛО «ОКБ МЭЛ»)248033, г, Калуга, ул. Академическая, 2' Телефон: (4842) 72-85-27, тсл/факс: (4842) 54-90-92,54-90-80 E-mail: zao@qkhmel.m http:okbmel.ru1. УТВЕРЖДАЮ»янрсктор Б МЭЛ»

122. Начальник научно-технического отдела заместитель технического директора1. A.B. Романов1. В.Ф. Антоненко