Кинетика ионного транспорта в окисных слоях на поверхности кремния и эффекты ионно-электронного взаимодействия на межфазной границе SIO2 Si тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



На правах рукописи

ЧУЧЕВА Галина Викторовна

КИНЕТИКА ИОННОГО ТРАНСПОРТА В ОКИСНЫХ СЛОЯХ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ И ЭФФЕКТЫ ИОННО-ЭЛЕКТРОНИОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА МЕЖФАЗНОИ ГРАНИЦЕ БЮ^

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Фряэино - 1998

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель: доктор•физико-математических наук, - - профессор А. -Г. ЖДАН.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

ст.' н. с. Е. И. ГОЛЬДМАН.

Официальные оппоненты:* доктор физико-математических наук,

профессор А. Э. ЮНОВИЧ, . . • кандидат физико-математических наук, • ' • ст.' н. с. А." А. СУХАНОВ. Ведущая организация:.-Институт-общей физики РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится__??_??"™^?*__1998 г: в на

заседании диссертационного совета К 200.37.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 141120, Московская обл., г. Фрязино, пл. акад. Введенского, 1.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан________1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 200.57.01 кандидат физико-математических наук И. И. ЧУСОВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.РАБОТЫ Актуальность темы. Ионная проводимость (ИГО - фундаментальное свойство изоляторов. Даже такие классические диэлектрики, как кварц и сапфир, при повышенных температурах Т>400 К и в не

с

очень сильных электрических полях 40 В/см обнаруживают . заметную ИП. Исследования закономерностей ионного транспорта в диэлектриках, имеющие целью выяснение природы и источников появления подвижных ионов, приобрели особую актуальность в связи с проблемами микро- и наноэлектроники, обусловленными существенным влиянием ИП на стабильность, шум и срок службы МДП-приборов и интегральных схем (ИС). Главное внимание в этой области уделяется изучению ИП в технологически ' хорошо определенных и широко используемых на практике системах - слоях ¡ЗМд . на поверхности 51. Однако представления о физических' факторах, лимитирующих движения ионов даже в таких системах, весьма противоречивы. Существует неопределенность в интерпретации результатов воздействия подвижных ионов на электронный спектр'границы раздела (ГР) 51-5102. Имеет место колоссальный разброс приводимых в литературе данных о параметрах ИП (например, наблюдаемые энергии активации подвижности ионов Иа+ в слоях 810^ лежат в диапазоне 0,2 -

- 1,5 эВ! 3. -

Исследования влияния подвижных ионов в диэлектрике МДП -

- структур на электронную подсистему полупроводника и, наоборот, электронов полупроводника на ионную подсистему диэлектрика (до сих пор вовсе не изучавшееся), относятся к . разряду ключевых проблем физики МДП-приборов. Ионы, локализующиеся- у ГР. полупроводник - диэлектрик, смещают пороговое напряжение, модифицируют спектр пограничных состояний и принципиально изменяют генераци-

онно-рекомбинационные характеристики пограничной области. Вопрос о возможности нейтрализации ионов у поверхности полупроводника электронами, до сих пор остается открытым, хотя исследования реакций; нейтрализации могут заметно углубить понимание механизмов ИП и ее влияния на электронные свойства ГР.

Ионные загрязнения особенно губительны для глубоко субмикронных МДП - элементов ИС. Так, при типичных плотностях фиксиро- -

1 ?

■-ванных и подвижных ионов 10 см , на подзатворную область с площадью 8=10~®х10~® см^ приходится всего лишь один ион при среднестатистической флуктуации такого же порядка. Это означа-

ь о

ет, что при толщине диэлектрика Ь ~ 100 А усредненные флуктуации - порогового напряжения ДУд1=Д01/С1=ф»^Н5/С1 достигают 0,5 В, т.е. оказываются - Уд ~ рабочего потенциала затвора (ч - элементарный заряд, С4= *Б/4лЬ, *= 4 - диэлектрическая проницаемость Б^)-Следовательно, без существенного -снижения уровня ионных загрязнений работа субмикронных ИС такого масштаба представляется невозможной. Присущие ГР 51/Б102 макроскопические флуктуации плотности ионов только усугубляют данную проблему.

Наконец, просматриваются и позитивные стороны явления мигра-

/

ции ионов в диэлектрике. Устойчивая при комнатных и, соответственно, более низких температурах локальная ионная поляризация, обеспечивающая заданную в наномасштабах конфигурацию распределения ионов в -диэлектрике у его ГР с полупроводником, может обеспечить принципиально новый подход к технологии формирования, размерно - квантованных структур Сквантовых точек, проволок и т.д.) за счет глубокого обогащения или инверсии поверхности полупроводника в областях сосредоточения положительных ионов, и к созданию элементов памяти и систем отображения информации. Осущест-

вимость такого рода идей была недавно продемонстрирована га примере МНОП-устройств с чисто электронным механизмом поляризации. Таким образом, комплексные исследования ионной проводимости в диэлектрических слоях МДП-структур и изучение эффектов электрон^ но-ионного взаимодействия на ГР полупроводник-диэлектрик - актуальная и практически значимая научная задача.

Цели настоящей работы - развитие комплексного аналитического и экспериментально-методического аппарата исследований ИП в диэлектрике МДП-структур, применение его для выяснения закономерностей транспорта ионов в слоях 5102, определение характеристик ИП и построение на этих основаниях адекватных физических моделей процесса переноса.

В этой связи поставлены и решены следувщие задачи:

- обобщены сведения о путях проникновения ионов в слои 5102 и данные о закономерностях и коэффициентах ионного транспорта; обсуждены подходы к интерпретации результатов наблюдений кинетики №1 и воздействия ионов на электронную подсистему Б!;

- развита комплексная методика, позволяющая последовательно реализовать исследования ИП методам:; квазистатических и динамических вольтамперных характеристик СВАХ), вольт-емкостной спектроскопии, термостимулированной деполяризации СТСД) и изотермической релаксации, в том числе - во врэмя-пролетном варианте;

- в этих резммах на -МОП-структурах, полученных в едином технологическом цикле, проведены детальные экспериментальные исследования процессов ионного переноса в окисле;

- на основе результатов экспериментов по динамической ионной деполяризации МОП-структур развиты новые представления о ее механизме, основанные на существенной неравновескости процесса де-

поляризации, позволившие по экспериментальны:.« данным определить дрейфовую подвияность ионов и ее энергии активации;

- обнаружены проявления эффектов нейтрализации ионов электронами полупроводника у ГР БК^/Б! в проводимости диэлектрика, обусловленной диффузией нейтральных элекроино-ионных ассоциатов (НА) к затвору, сопровождающейся их термическим распадом и движением его продуктов (электронов и ионов) к ГР с металлом и соответственно; развита качественная модель явления;

- эффекты нейтрализации подтверждены независимыми измерениями ВФХ в деполяризованных и поляризованных МОП-структурах;

- исследована кинетика изотермической ионной деполяризации; начальные стадии релаксации тока описываются в рамках представлений о время-пролетном эффекте; на конечных стадиях релаксации деполяризующее поле перестает влиять на ионный ток I, а его зависимость от времени не следует простым законам кинетики; эти закономерности обусловлены распадом НА вследствие туннельных переходов электронов в полупроводник и тердшческих - в разрешенные зоны изолятора, а также диффузией НА по диэлектрику;

- предложена новая интерпретация результатов экспериментов по ТСД, выполненных в широком интервале деполяризующих полей; в отличие от стандартного описания сложной формы пиков ТСД на основе представлений о присутствии у ГР распределенных по энергии ионных .ловушках показано, что экспоненциальный подъем тока ТСД с ростом температуры обусловлен пролетом через диэлектрический промежуток ке нейтрализованной части ионного заряда, а плавно спадающий хвост - следствие "включения" дисперсии времен ионизации! обусловленной туннельным характером электронных переходов; на основе этой модели развит алгоритм обработки данных по ТСД,

позволяющий определять характеристики Ш.

Научная новизна. Развит подход к описанию динамических ВАХ МДП-структур на основе неравновесных представлений, позволивши:! извлечь из результатов единого эксперимента в условиях варьируемых температуры и скорости полевой развертки все основные сведения о характеристиках ИП и лимитирующих ее факторах. Впервые получены экспериментальные доказательства эффектов диффузии нейтрализованных электронами положительных ионов, сосредоточенных у ГР 81/5109. Разработаны методы определения доли нейтрализованных ионов, основанные на наблюдениях времен пролета и Т.СД. Предсказан и экспериментально подтвержден непояевой'механизм релаксации зарядового состояния диэлектрика, обусловленный распадом и диффузией электронно-ионных асссцизтов, всзникагаих вследствие нейтрализации ионного поляризационного заряда у ГР 31/51ГЬ, электронами. Определены с привлечением комплекса взаимодополняющих экспериментов (ВАХ, ТСД, изотермическая релаксация) базовые характеристики ИП слоев 3102 на поверхности

Практическая ценность работы. Развитый аналитический и мэто-

дический аппарат позволяет в идентичных условиях опмтоз осущест-

(

влять комплексные исследования ИП диэлектрика МДП-структур, определять по данным физически независимых экспериментов ее ссков-ный характеристики, изучать источники проникновения йотов з диэлектрик, связывать результаты наблюдений с технологией МДП-при-боров. Это открывает новые возможности эффективного контроля и диагностики реальных элементов МДП-злектроники не только на основе но и на основе таких перспективных материалов как ЭЮ, баАз, 1п5Ь и т.д. Простота, надежность и экспресспость .методики позволяют рекомендовать ее для использования в электронной про-

нышленности, в частности, при разработках субмикронных приборов.

Результаты диссертационной работы используются в ИРЭ РАН при проведении плановых НйР и в связи с разработкой макета образца прибора для неразруиающего контроля ИЛ подзатворных окислов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изотермическая ионная деполяризация 21-МОП-структур в режиме линейной развертки по напрякению со скоростями >0.01 В/с при температурах <600 К протекает в существенно неравновесном реаиме. Анализ динамических ВАХ деполяризации, измеренных в таких условиях, позволяет в рамках единого эксперимента оперативно и надежно определять плотности ионов, их подвижность и ее энергия активации.

2. Нейтральные ассоциаты Сион + электрон), образованные за счет туннельных переходов электронов из на состояния, связанные с ионами и их диэлектрическим окружением, диффундируют по

и распадаются вследствие термоионизации. В поляризующих электрических полях возникающие после распада ассоциатов электроны перекосятся на затвор, а ионы возвращаются обратно к ГР 5102/21, где вновь нейтрализуются и т. д. У границы с 81 в слое Б102 толщиной порядка диффузионной длины реализуется незатухающая циркуляция ионов, которая приводит к стационарному току, сублинейно зависящему от напряжения на диэлектрическом промежутке.

3. Кинетика ионной деполяризации после известного время- пролетного процесса определяется распадом нейтральных ассоциатов и протекает в два этапа. На первом - распад происходит за счет туннельных переходов электронов с ассоциатов в зону проводимости полупроводника; ток деполяризации не зависит от электри-

ческого поля и изменяется со временем по квазигиперболическому закону, определяемому дисперсией времен туннельной ионизации. На втором этапе распад лимитируется диффузией нейтральных ассоциа-тов и их термоионизацией в объеме 3102-

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции "Диэлектрики - 97" ССанкт-Петербург, 1997г. 3, 3-й Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение" (Александров, 1997г.), Международной конференции "Полупроводники - 97" СМосква, 1997г.) и на научных семинарах ИРЭ РАН, ИОФАН и МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ. Их список приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения и списка цитируемой литературы из 93 наименований. Она содержит 73 страницы текста, 20 рисунков и 2 таблицы. Ее общий объем 95 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность теш диссертации, указаны ее цели, задачи, методы их решения и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе резюмировано современное состояние исследований ионного транспорта в слоях на 81. Сведения о механизмах появления в подвижных и связанных ионов и их природе содержатся в 51.1. В §\.2 суммированы данные о закономерностях и коэффициентах ионного транспорта в подзатворном окисле и обсуждены физические подходы к описанию результатов опытов; |1.3 посвящен анализу воздействия ионов на электронную подсистему 31. Приведенные в гл.I материалы аргументируют постановку настоящей ра-

)

боты, ее научную и прикладную значимость:

- сведения о механизмах транспорта подвижных ионов в подзатвор-ном диэлектрике неполны и неоднозначны;

- характер воздействия ионов на электронную подсистему полупроводника полностью не выяснен;

- исследования воздействия электронов полупроводника на ионную подсистему диэлектрика вообще не проводились;

- экспериментальные данные о параметрах, характеризующих ионный транспорт в слоях исгрггывают колоссальный разброс, причины которого не установлены;

Вторая глава посвящена развитию универсального экспериментально-методического аппарата исследований, применению его соответствующей подсистемы для наблюдений динамических ВАХ деполяризации Б1-{«ЮП-структур, разработке подходов к"- их аналитическому описанию в рамках неравновесных представлений и к получению на этих основаниях данных о коэффициентах ионного переноса.

Экспериментальная установка (§2.1) позволяет без каких-либо дополнительных манипуляций с образцом осуществлять в любой последовательности измерения динамических и квазистатических ВАХ и ВФХ, наблюдать4кинетику процессов изотермической и термостимули-рованной поляризации и деполяризации. Основой установки является герметизированная измерительная камера с медным основанием, на котором закрепляется исследуемый образец и аналогичный ему образец-свидетель. Задание и регистрация температуры объекта осущес-

-1 я

твляется микротермопарой. Токи на уровне > 10А измеряются электрометром. Постоянное или импульсное напряжение с амплитудой до ±33 В подается на тыловой электрод образца.

Измеряемые величины - ток, напряжение и э.д.с. термопары

- и -

либо вводятся в цифровой форме .через универсальный интерфейс в персональную ЭВМ. "Электроника" МС 0513 для последующей обработки и представления, либо регистрируются графопостроителем. Нагрев основания производится излучением галогенной дампы КГ-500, охлаждение - естественным путей или принудительно. Скорость полевой

I -, а?

развертки С режимы измерения ВАХ и ВФХ) /3=10 - 5 В/с, скорости нагрева (режим ТСД) "(3=0,1-0,5 град/с, временное разрешение (режим изотермической релаксаций)-»- 80 мс.

Далее ( §2.2) в этой главе аргументируется/ и развивается новый неравновесный подход к описанию динамических ВАХ деполяризации. Считая, что смещению ионов, прижатых поляризующим полем к ГР с полупроводником, в направлении затвора препятствует естественный потенциальный барьер я^д С ^Уд+У^О, Ук - контактная разность потенциалов затвор-полупроводник),получаем, стандартное для термоэмиссионного механизма переноса выражение:

-цу /1>кТ

I = д Б р М0 8Ь е з . (1)

Здесь у - дрейфовая подвижность свободных ионов, N - их объемная концентрация у ГР с полупроводником, Ь-толшина диэлект-

рика, к - постоянная Больцмана, Т - температура, ь>>1 - фактор неидеальности ВАХ.

Изменение со временем поверхностной плотности ионов в диэлектрике вблизи его ГР с полупроводником определяется уравнением кинетики,

сШ5лИ = -1/<з5, (2)

Тогда при Елч^/и связь между Яо и дается соотношением N = 2яа2Н?/*кТ. Из (1) и (2) вытекает динамическая ВАХ:

О ^ ь

сзэ

NSq- начальная плотность ионов у ГР с полупроводником; (3) описывает узкий симметричный пик с шириной на полувысоте Ai/2=C4i*T/q) -lriCl+jB).

В точке максимума тока CI = Im, ^g= ^gm) имеем:

e4VykT=2^hmHS0/*/V 1ш= q2S^iso/4kT. 8hm^gm/h C4)

и ^

. 8лр kT V__ I

vk T In—--. C5)

9® q « h S Э/

Из соотношений CI), C3)-C5) явствует: в области начального нарастания 7g-tygm>>kT/q ток не зависит от /Зу; график Inl-Vg - прямая линия с наклоном - q/vkT; Im возрастает с ростом (Зу, а положение максимума тока сдвигается в сторону деполяризующих напряжений; аналогичный сдвиг происходит и с уменьшением NSo; при T=const, независимо от |Зу и NSo> значение V m - линейная функция логарифма комбинации (Зу, Im и 9gm: 9gmoo ln(9gmIm//3^).

Результаты экспериментальной проверяй соотношений (1), СЗЗ—

- С5) приводятся в 5 2,3. Опыты выполнены на структурах А1—SiOg

о

(термический окисел, h=170Q А)—n-SiC100); площадь структуры S=

=2,4*10"^ см^, концентрация свободных электронов в Si при 300 К 1Ч —Ч

- l'10iO см . Образец поляризовался при температуре TQ=const i < 200° С постоянным положительным напряжением Vgp в течение заданного времени tp. Величина Nso варьировалась изменением Vgp или tp и определялась post factum наиболее надежным способом --» численным интегрированием тока деполяризации по времени. По

прошествии времени tp к образцу подключался генератор линейной развертки CVg= Vgp- /?yt). ВАК I(Vg) регистрировались в функции от ßv, Nso и Т.

Все рассмотренные выше следствия расчетов отчетливо проявляются на опыте: при малых Vg ток не зависит от ßy; Im od ßy; с ростом ßy или с уменьшением NSo точка Vgffl сдвигается к меньшим Vg (рис.1а); зависимости lnl—Vg следуют закону Аррениуса Срис. 16); Vgm оо Inf /ф Срис.1в). Это послужило-основанием для

определения коэффициентов ионного транспорта: fj(423 10~8,

/^С453 Ю= 1,1-10~7си^/В-с и 0,8+0,05 эВ. Найденные по экспериментальным данным значения v лежат в области 1,82 - 2,10; они типичны для термоэмиссионных явлений на неидеальных контактах. Приведенные величины ц и ее энергии активации близки к наиболее надежно установленным для подвижных в Si02 ионов Na+.

Третья глава содержит результаты исследований эффектов нейтрализации электронами канала обогащения положительных ионов, сосредоточенных у ГР диэлектрика с полупроводником.

Качественная физическая модель возможных проявлений электронно-ионного взаимодействия рассматривается в §3.1. Если в результате, например, туннельного захвата электрона из полупроводника на ловушку, образованную ионом и его диэлектрическим окружением, существенная часть ионов у ГР будет нейтрализована, то в диэлектрике должен реализоваться нестандартный тип проводимости. При повышенных температурах нейтральные электронно-ионные ассо-циаты СНА) будут диффундировать вглубь изолятора и термически распадаться на ион и электрон Споследний практически мгновенно уйдет на соответствующий электрод). Вновь образовавшийся ион будет либо возвращаться к ГР Споляризующие поля), либо переме-

WS CM « №

1 40 2

z ÔA 2

3 10

4 10 3

5 sio 5

6 10 20

7 10 SO

Ô iO iOO

Рис.1

7,0 6ß 6ß èfy

/

щаться к противополокнб'му от нее контакту (деполяризующие поля). В первом случае в слое толщиной порядка» длины диффузии НА возникнет незатухающий кругооборот ионов у поверхности полупроводника, обусловливающий стационарный сублинейно зависящий -Рт поля ток через диэлектрик. Во втором случае к переходному ионному току добавится компонента, определяемая диффузией и распадом НА, независящая от электрического поля.

В $3.2 суммированы экспериментальные доказательства эффекта нейтрализации ионов электронами у ГР 5102/81. Проводимость окисла измерялась термомодуляционным методом. После поляризации образца при Т=То< 200°С его температура в начале понижалась до температуры, при которой ток оказывался ^регистрируемым, а затем увеличивалась до Т0. 'Закон изменения Т - произвольный. Д..стационарных условиях значения токов при одинаковых температурах, включая Т0, должны совпадать при сколь угодно большом числе циклов охлаждение - нагрев, а энергии активации проводимости Ла - быть больше Е^ (§2.3). Эти положения прекрасно воспроизводит опыт: уровни тока при всех фиксированных Т совпадают (рис.2а), а значения Еа, определенные по девяти последовательным измерительным циклам, составляют 1,19+0,03 эВ. Сублинейность полевой зависимости стационарного тока при поляризующих напряжениях (рис.26) исключает возможность его интерпретации как электронного тока утечки, для которого типичны резко суперлмнейные ВАХ.

Рассматриваемая модель согласуется и с закономерностями изотермической деполяризации. На ее начальном этапе (рис.2в) наблюдается классический время-пролетный эффект (время пролета тпр ад оо Уд ) с параметрами, типичными для дрейфа свободных ионов: значения м и ее энергии активации, найденные по зависимостям

-10 1 2 i3t

Рис. 2

V^ß символ

0,7Г +

i,56 Ü

V2 А.

©

Ц9 0

МЕТКИ

W 423

2,ï ¿/20

m

395

ж

6.6' 370

ТдрС Va,Т), хорошо согласуются с полученными ранее - ц(423 Ю = =2,5'10"8, fj(453 Ю=1,1«10~^см^/В'с, Ем=0,8±0,05 эВ (j2,3). После экстремума (t=Tnp) проявляются две характерные области: сраэу за точкой максимума переходной ток спадает, оставаясь функцией электрического поля, а затем все кривые релаксации сливаются в единую линию, т. е. ток перестает зависеть от поля. Эти особенности естественно объясняются в рамах представлений о нейтрализации ионов и диффузии НА. В начале все свободные ионы за время 1=тПр уходят к полевому электроду. Поскольку тПр гораздо меньше характерных времен диффузии и ионизации НА, то при 1>тПр, ток определяется исключительно распадом НА, а на этот процесс электрическое поле но влияет. Распад НА может идти двумя путями: за счет туннельных переходов электронов в полупроводник (при этом возникает естественная дисперсия времен ионизации, обусловленная экспоненциальной зависимостью вероятности туннелирования от координаты НА) и за счет термического возбуждения электронов в разрешенные зоны изолятора. Соответственно на кривой I-t в области независимости тока от поля должны наблюдаться два участка. На первом I со г что характерно для переходных процессов

з системе с дисперсией времен жизни. Здесь 6 - эффективная туннельная длина, Х-длина диффузии НА. На втором этапе Iaexp(-t/r), что отвечает обычным процессам диффузии и распада частиц со временем т. На эксперименте проявляется лишь первый участок, т.к.

при температуре опыта т составляет 3,6-10 с, но уже по прошест-

я —1 я

вии tM0° с ток становится трудно измеримым (10 А), а у ГР

все еще остается существенная (до 50%) часть поляризационного заряда. Остаточная плотность ионов NS0CT определялась интегрированием пика тока ТСД, наблюдавшегося после завершения квазиги-

перболической стадии изотермической релаксации в режиме температурной развертки (|3T=const) до полной деполяризации образца CT » » Т , ISO). Интегрированием кривых релаксации на всех ее этапах оценены в функции от условий поляризации значения Nso, плотности нейтрализованных Nsn и свободных NSf ионов и коэффициент нейтрализации ^=ffsn/Nso=G,83. Приведенные результаты С стационарные токи в поляризующих полях и кинетика переходного процесса в деполяризующих полях) - прямое доказательство образования, диффузии и распада НА.

Глава четвертая представляет новый взгляд, вытекающий из материалов гл. 3, на природу пиков ТСД, трактовавшуюся ранее, в основном, с позиций опустошения ионных ловушек с непрерывным распределением по энергии.

В ее вводном разделе (£4.1) суммируются основные закономерности ТСД, вытекающие из проведенных ранее экспериментов, и анализируются.известные подходы к их интерпретации. Обнаруженные при этом противоречия обусловили постановку описываемых далее (f4.2) опытов результаты которых позволили обосновать новые взгляды на физическую природу пиков ТСД.

В §4..?. приводятся детали экспериментальной техники и обобщаются результаты наблюдений ТСД, проведенных в широком интервале поляризующих и деполяризующих полей, температур С-30 - +200°С) и значений MSQ. Наиболее существенные данные опыта суть: кривые ТСД обнаруживают единственный максимум; нарастающие ветви тока ТСД значительно круче спадающих и следуют закону Аррениуса с энергией активации, не зависящей от деполяризующего напряжения Vg^O; точка максимума тока Тт с ростом сдвигается в сто-

рону низких температур; зависимость ИТ) в области спада тока с

- 19 -

ростом все более выполазсивается.

Анализ природы наблюдавшихся пиков ТСД проводится в /4.3. Ток ТСД в условиях классического время-пролетного эффекта в режиме дрейфа малого заряда Ст.е. при малых Н30 или больших Уд^) в интервале времен меньших времени пролета описывается соотношением 1=Сд8Н30р0^д^/Ь^)ехр( -Е /кТ), где Следовательно, графики 1д1Д?дс1 - Т "■'■должны описывать единую прямую с энергией активации Е . Соответствующие экспериментальные данные (рис.З), полученные в широком диапазоне Уд^ (0,6-11,2 В) полностью отвечают этим представлениям. Величина Е , усредненная по шести измерительным циклам ТСД при различных У^, составляет 0,87 ± 0,05 эВ, т.е. согласуется в пределах погрешности экспериментов с найденными ранее (гл.2, 3). Отсюда явствует, что начальные стадии нарастания тока ТСД обусловлены термоактивацией времени пролета свободных ионов.

Качественная модель, развитая в §3.1, позволяет интерпретировать области экстремума и спада тока ТСД. Очевидно, по мэре истощения пограничного резервуара свободных ионов ток ТСД, достигнув максимума, должен был бы резко упасть до нуля. Этого, однако, не происходит вследствие связывания значительной части ионов на ГР в НА. Из модели образования НА вытекает следующая физическая картина ТСД. В начале имеет место термостимулирован-ный пролет изначально не нейтрализованных ионов через диэлектрический промежуток; при этом 1соехр(-Е^/кТЗ; максимум тока достигается после прохождения фронта. Далее, после того, как все свободные ионы стекли к полевому электроду, переходной процесс определяется туннельной ионизацией "замороженных" НА причем их распределение по изолятору [концентрация НА га ехр(-2/\)3 соот-

Рис. 3

ветствует начальным условиям в поляризованном состоянии - ток не зависит ни от величины деполяризующего напряжения, ни от /Зт, являясь лишь функцией времени I, отсчитанного от момента ^ достижения максимума тока. При этом ток определяется дисперсией времен туннельной ионизации, т. е. I со С1Чт)~^1+с5/^-). В результате ток приобретает нетрадиционную для ТСД форму: полуширина его спадающей ветви много больше полуширины нарастающей.

Таким образом, материалы, представленные в гл.З и 4 однозначно свидетельствуют о существенной роли в кинетике ИП эффекта нейтрализации ионов у ГР Б^Юд электронами и о ряде необычных его проявлений.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, намечены пути и перспективы ее развития.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОЛЫ.

1: Разработан экспериментально-методический аппарат для комплексных исследований ионных процессов в МДП-структурах, обеспечивающий в идентичных физических условиях в широком интервале

о

электрических полей (<10 В/см) и температур (240-600 К) последовательные или выборочные измерения квазистатических и динамических ВАХ и ВФХ, токов ТСП и ТСД, а также кинетики изотермической релаксации:

2. В типичных условиях эксперимента (240<Т<600 К, /3>1 • •10"2 В/с) динамические ВАХ деполяризации -МОП-структур не являются равновесными.

3. Развита модель для описания неравновесных динамических ВАХ, подтвержденная данными опытов. На этих основаниях впервые в рамках единого эксперимента определены базовые характеристики ИП в слоях Бх02 на 51: концентрация ионов, их подвижность и ее энергия активации.

4. Развита качественная физическая модель проявлений нейтрализации ионов у ГР диэлектрика с полупроводником, базирующаяся на представлениях о диффузии и распаде образующихся нейтральных электронно-ионных ассоциатов.

5. Впервые наблюдались проявления нейтрализации ионов электронами в неизвестном ранее типе стационарной проводимости и кинетике деполяризации диэлектрика. Ключевые следствия развитой модели подтверждены экспериментальными исследованиями стационарных токов, переходных процессов, ВФХ и ТСД.

6. Показано, что для изотермической деполяризации характерны

- 22 - ,

три стадии - начальная, "время-пролетная", промежуточная, на которой переходной ток еще является функцией деполяризующего нап-

-ч '

ряжения Уд^ и заключительная, в начале обусловленная ионизацией нейтральных ассоциатов за счет туннельных переходов электронов в полупроводник, а в конце.- их диффузией и термораспадом за счет перехода" электронов в разрешенные -зоны изолятора Сток не зависит от Уд^). По данным измерений определены подвижность ионов, ее энергия активации, коэффициент нейтрализации ионов, а также коэффициент диффузии и время жизни в БЮд нейтральных ассоциатов. Эти параметры находятся в удовлетворительном согласии между собой и с известными из литературы данными.

8. Исследована ТСД окисла в системе Бз^/З! в функции от деполяризующего поля; обнаружен сдвиг максимумов ТСД с увеличением поля к низким температурам без изменения энергии активации начальных стадий нарастания тока.

9. Развит и аргументирован новый взгляд на природу формирования пиков тока ионной ТСД: области нарастания тока связываются с известным эффектом - термоактивацией времени пролета свободных ионов; спадающие ветви температурной зависимости тока интерпретируются с развитых в данной работе позиций туннельной (или термотуннельной) ионизации нейтральных ассоциатов, что автоматически объясняет уширение.пиков ТСД.

Таким образом, комплексные экспериментальные исследования ИП систем БК^/Б! и ряд развитых на их основе модельных представлений позволил, с одной стороны, установить новые фундаментальные особенности проявления эффектов миграции ионов, а с другой -- достаточно полно и достоверно охарактеризовать количественную сторону явлений ИП. Последнее обстоятельство указывает на возмо-

жность использования настоящих разработок в целях создания эффективных и экспрессных средств контроля технологии и физической диагностики МДП-приборов и ИС на их основе.

Публикации по теме диссертационной работы.

1. Е.И. Гольдман, А.Г. Ждан, A.M. Клочкова, Г.В. Чучева. "Кинетика ионного переноса в диэлектрике Si-МОП-структур."Тезисы докладов Международной Научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97!'; 24 - 27" июня 1997г., г.Санкт-Петербург, т. 2, с. 37-38.-

2. Е. И. Гольдман, А. Г. Ждан, А. И. Медовой, Г.'В. - Чучева..'. "Динамика ионной объемно-зарядовой деполяризации слоев SiOg на поверхности кремния". Тезисы докладов 3-й Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение"; 20-24 октября 1997г., г. Александров, ВНИИСИМС, стр.198- 199.

3. Е.И. Гольдман, А. Г. Ждан, А. И. Медовой, Г. В. Чучева. "Динамика ионной объемно-зарядовой деполяризации слоев S102 на поверхности кремния". Труды 3-й Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение"; 20-24 октября 1997г., г. Александров, ВНИИСИМС, т. 2, с.88-101.

4. Е.И.Гольдман, А.Г.Ждан, Г.В.Чучева. "Определение коэффициентов ионного переноса в диэлектрических слоях на поверхности полупроводников по динамическим вольт-амперным характеристикам деполяризации". ПТЭ, 1997, N6, с.110-115.

5. Е.И.Гольдман, А.Г.Ждан, Г.В.Чучева. "Кинетика ионной деполяризации Si-МОП-структур в режиме линейной развертки по напряжению". ФТП, 1997, т.31, N12, с.1468-1473.

6. Е. И. Гольдман, А. Г. Ждан, Г. В. Чучева. "Влияние электронно-

-ионного взаимодействия у границы раздела полупроводник-диэлектрик на кинетику миграции .ионов в изоляторе". Тезисы докладов 3-й Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводни-ки-97"; 1-5 декабря 1997г., г.Москва, ФИАН, с.189.

Подписано в печать 15.07.98 г. Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл. п. л. Ротапринт ИРЭ РАН. Тир. 100 экт. Зак. 19.