Транспорт носителей в аморфных диэлектриках МДП структур с пространственными неоднородностями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

УДК 621.382 Р Г Б О Л

1 0 ш 1998

на правах рукописи

ЛИЧМАНОВ ЮРИЙ ОЛЕГОВИЧ

Транспорт носителей в аморфных диэлектриках МДП структур с пространственными неоднородностями.

01.04.10 Физика полупроводников и диэлектриков.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998г.

Работа выполнена в МОСКОВСКОМ ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ. Научный руководитель доктор физико - математических наук

Масловский В.М.

Официальные оппоненты доктор физико - математических наук, профессор

Гергель В.А.

кандидат физико - математических наук, доцент Романов В.П. Ведущая организация ОАО "Ангстрем"

Защита диссертации состоится 24 февраля 1998 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д. 063.91.03 в Московском Физико- Техническом Институте по адресу: 141700 Московская облость, г. Долгопрудный, Институтский переулок д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан 22 января 1998 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д. 063.91.03 ^-г

кандидат физико-математических наук, доцент^^^jjfy^fo В.А. Скорик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Освоенность кремниевой технологии, позволяющая достигать высокие степени интеграции и высокую надежность микроэлектронных приборов позволяет утверждать, что основным базовым элементом СБИС останутся МДП структуры на основе кремния. Возможность формировать различные аморфные диэлектрики на кремниевой подложке обеспечивает большие функциональные возможности МДП приборов.

В настоящее время получают широкое распространение электрически репрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ЭРПЗУ) большой емкости на основе МНОП и МОНОП структур, использующие аморфный диэлектрик - нитрид кремния (НК) - в качестве запоминающей среды.

Большая степень интеграции достигнута в ЭРПЗУ на основе МОНОП структур, в которых дополнительный диэлектрический слой (окисел кремния) препятствует инжекции дырок из металла в НК, и тем значительно уменьшает деградацию таких структур. Эта структура представляет собой наиболее удобный модельный объект для изучения транспорта электронов в НК, так как он не сопровождается процессом рекомбинации электронов с дырками.

Функциональные характеристики МНОП ЭП существенно зависят от спектра локализованных состояний (ЛС) в НК. Однако до настоящего времени не было программного инструмента, позволяющего прогнозировать динамику записи и стирания информационного заряда с учетом реального спектра ЛС.

Создание программных средств для проведенния численного эксперимента при проектировании ЭП, учитывающее наличие сложного спектра ЛС в НК и его пространственную неоднородность, представляется весьма актуальным.

Другой важный аспект исследования электронных процессов в МДП структурах связан с деградационными процессами, на которые существенно влияют протяженные дефекты. Пропускание значительной плотности заряда через диэлектрические пленки приводит к их пробою. На стабильность параметров МДП структур значительно влияют протяженные дефекты вблизи границы полупроводник - диэлектрик (микродефекгы). К началу работы над диссертацией адекватная теория проводимости МДП структур с микротрещиной в диэлектрике (после пробоя) отсутствовала. В этой связи весьма актуальной задачей является конкретизация влияния микродефектов на параметры потенциально - ненадежных МДП структур, в том числе исследование проводимости этих структур.

Новый, и весьма интересный аспект изучения деградационных процессов в МДП структурах на основе кремния связан с обнаруженным недавно влиянием импульсных магнитных полей (ИМП) на их электрофизические параметры, зависящим от характера пространственного распределения протяженных дефектов. Воздействие слабым ИМП приводило к долговременному изменению электрофизических параметров МДП структур и обуславливалось эволюцией состояния микродефектов е термодинамически неравновесных полупроводниковых структурах. Характер магнитоиндуцированных долговременных изменений (МИДИ) параметров, связанных с наличием микродефекгов у межфазной границы, не был исследован. Такое исследование актуально для прогнозирования надежности МДП приборов.

Цель работы - установление закономерностей нестационарных электрических процессов в аморфных диэлектриках МДП структур в сильных полях - накопления заряда в МДП структурах с учетом пространственной неоднородности параметров диэлектрика, протяженных дефектов у межфазной границы и в диэлектрике, а также исследование влияния импульсных магнитных полей на транспорт носителей в этих диэлектриках.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие конкретные задачи диссертационной работы:

1. Исследование методом математического моделирования процессов накопления и рассасывания заряда в МДП структурах с нитридом кремния (НК) с учетом хвостов плотности состояний, делокализации этих состояний в сильном электрическом поле и неоднородного пространственного распределения центров захвата носителей заряда.

2. Изучение влияния протяженных дефектов в МДП структурах на проводимость и деградацию МДП структур. Математического моделирования проводимости МДП структур с микротрещиной в диэлектрике.

3. Установление закономерностей магнитоиндуцированных долговременных изменений параметров МДП структур, обусловленных протяженными дефектами.

Научная новизна:

1. Результаты численного моделирования накопления заряда в МОНОП структурах впервые позволили установить характер влияния неоднородного распределения ЦЗ в НК и спектра локализованных состояний, включая делокализации состояний хвоста плотности вблизи краев зон в сильных электрических полях, на переходные процессы.

2. Впервые показано, что адекватное совпадение с экспериментальными характеристиками переходных процессов накопления заряда в МОНОП структурах достигается лишь при значительном уменьшении концентрации ЦЗ вдали от межфазных границ и на основе сопоставления с экспериментальными характеристиками оценить параметры пространственного распределения ЦЗ.

3. Численным методом впервые получено распределение поля по толщине диэлектрика по поверхности сквозной микротрещины в дефектной МДП структуре и получено выражение для ВАХ дефектных МДП структур, проводимость которых обусловлена переносом электронов по ловушкам хвоста плотности состояний на поверхности сквозной микротрещины.

4. Обнаружено, что МИДИ плотности микродефектов носит немонотонный характер, коррелирует с изменениями напряжения утечки МПД структур и связано с возникновением затухающих колебаний концентрации дефектов в системах с диффузией, связанных с процессом приповерхностной релаксации неравновесного состояния системы - 8Ю2, обусловленной магнитоиндуцированным распадом дефектно - примесных комплексов.

Практическая ценность работы:

1. Разработан программный комплекс численного моделирования характеристик накопления заряда в нитриде кремния МОНОП структур для использования при проектировании МДП элементов памяти.

2. С помощью разработанного программного комплекса установлены значения параметров центров захвата, и их неоднородного пространственного распределения в нитриде кремния.

3. Показана эффективность использования ИМП для выявления потенциально -ненадежных МДП структур.

На защиту выносятся;

1. Алгоритм численного моделирования характеристик накопления и рассасывания заряда в нитриде кремния МДП структур, позволяющий прогнозировать характеристики МДП элементов памяти.

2. Анализ результатов математического моделирования переноса, накопления и рассасывания заряда в МДП структурах с нитридом кремния (НК) с учетом хвостов плотности состояний, делокализации этих состояний в сильном электрическом поле и неоднородного пространственного распределения центров захвата носителей заряда (монополярная модель).

3.Результаты математического моделирования распределения поля по толщине диэлектрика по поверхности микротрещины и аналитические выражения ВАХ дефектных тонкопленочных МДП структур с локальной сквозной микротрещиной в диэлектрике.

4. Установление возникновения магнитоиндуцированных долговременных затухающих колебаний плотности микродефектов у границы раздела Si - Si02.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Materials research society (MRS) Spring meeting (San Francisco 1994); ежегодном научно - техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" Москва 1994, 1996; European - MRS spring meetings (Strasburg 1994,1995); III международном семинаре по моделированию приборов и технологий (Обнинск 1994); Всероссийская научно -техническая конференция "Электроника и информатика - 95" (Москва Зеленоград МГИЭТ - 1995); 2-ой Российской конференции по физике полупроводников. Зеленогорск, март 1996; Международной школе по физике твердого тела UNESCO. Петергоф, сентябрь 1996 г, Всероссийской конференции по физике диэлектриков. Санкт - Петербург, июнь 1997, VII межнациональном совещания "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1997 г.)

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ. Структура и объем диссертации:

диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 107 страниц машинописного текста, включая <*? рисунков. Список литературы содержит 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель, научная новизна, практическая значимость работы, а также положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке модели переходных процессов при инжекции электронов в НК МОНОП структуры и последующему их математическому моделированию.

В начале главы представлен анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию электронных процессов в МДП структурах в сильных полях. Рассматриваются современные представления о транспорте электронов в НК, обсуждается спектр J1C, полученный различными экспериментальными методами.

Показана необходимость разработки программного инструмента для моделирования накопления и стирания заряда в МНОП ЭП, основанного на современных представлениях о спеетре ЛС в НК. Это связано с задачей адекватного объяснения долговременных характеристик изменения напряжения плоских зон, тока во внешней цепи и пространственного распределения заряда в НК. Полагается, что инжектируемые из кремния электроны захватываются как положительно заряженными моноэнергетическими центрами захвата (ЦЗ), так и нейтральными ловушками хвоста плотности состояний в запрещенной зоне нитрида кремния. При этом следует учесть эффект делокализации мелких ЛС в сильном электрическом поле.

Имеющиеся к настоящему времени экспериментальные результаты, полученные российскими и зарубежными исследователями свидетельствовали о неоднородном пространственном распределении ЦЗ по толщине нитрида кремния, что было учтено при моделировании.

Накопление электронов в НК МОНОП структуры описывается системой следующих уравнений:

- уравнения для полного тока

'«-'♦¿IP <"

- уравнения Шокли - Рида для перезарядки положительно заряженных ЦЗ

^ = r[«U-f(x))-f(x)«,(£)], (2)

в котором параметр Шокли - Рида п{(Е) записан с учетом эффекта Пула-Френкеля (ЭПФ),

- уравнения Шокли - Рида для перезарядки ловушек

= У,[п{1 - f(x,г)) - f(x, ф,(£)}, (3)

- уравнения Пуассона

дЕ 4ти?

дх

(4)

- ¡о) + |ВД(/(х, е) - /0(е))йе

о

в котором второе слагаемое учитывает распределение ловушек по энергии (например, экспоненциальное Щъ) = Ых ехр( - е/е, )/е, ), где Л', - объемная плотность ловушек), Е - электрическое поле, меняющееся по толщине НК, £п - диэлектрическая проницаемость НК, J - ток проводимости в НК, п - концентрация свободных электронов; п,(Е) = п,(Ф)ехр{^Е/Е(), Л{(е) = УУС ехр(- г/кТ); Ф - энергетическое положение ЦЗ, N.. - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, Е( = (77д)2 гп/'4д - характерное поле ЭПФ; у и у^а,^ - коэффициенты захвата

электронов на ЦЗ и ловушки, соответственно, где ст, - сечение захвата ловушек, v, -тепловая скорость, v - дрейфовая скорость, соответственно;/^, е) - степень заполнения ловушек. Хвост плотности состояний в НК обусловлен флукгуациями длин и углов связей. Параметр экспоненциального хвоста плотности локализованных состояний, полученный на основе исследования оптического поглощения (хвост Урбаха), £-0.2 эВ для НК, близкого по составу к стехиометрическому.

Граничные условия задаются амплитудой приложенного к МОНОП структуре прямоугольного импульса напряжения, а также зависимостью величины тока инжекции, представляющего собой туннельный ток Фаулера - Нордгейма /5 = .5 ехр^- а /Еф(где В - предэкспонента туннельного тока, а* -

характерное поле туннельного тока) от поля Е(0,1) на инжектирующем контакте. Начальное условие - поле распределено однородно по толщине НК. Е(х,0)=Е1~и/1\ где / - приведенная толщина многослойного диэлектрика. При рассмотрении переноса заряда в сильных полях диффузионным током можно пренебречь по сравнению с дрейфовым 3 = qvn (п - концентрация электронов в зоне проводимости НК, V -(3-ь4)х106 см/с - дрейфовая скорость, которая, как обычно полагается, в сильных полях достигает насыщения и поэтому слабо меняется по толщине пленки НК).

Система нелинейных уравнений в частных производных (1-4) сводится к системе 2-х интегро-дифференциальному уравнений, которая не допускает аналитического решения. Картина переходного процесса после приложения к МОНОП-спруктуре напряжения получена решением этой системы численными методами. Для каждого момента времени решается краевая задача по определению распределения электрического поля в НК сеточным методом, исходя из полученного решения находится краевые условия для следующего момента времени.

Для определения влияния различных параметров системы на характеристики накопления информационного заряда в МОНОП структурах был проведен ряд численных экспериментов. А именно, было изучено поведение системы при больших временах накопления, была изучена роль ЛС и их вклад в характеристики переходных процессов.

Для ряда параметров использовались значения, близкие к теоретическим: а' = 117 МВ!см\ В=3x108 см2. Именно такие значения параметров обеспечили наилучшее согласование с семейством экспериментальных зависимостей характеристик накопления заряда при различных напряжениях записи заряда в ЭП. Расчеты выполнялись для температуры 300 К и МОНОП-структур с толщинами окислов 5 нм.

Для исследования влияния ловушек проведено моделирование процесса накопления с различным числом уровней ловушек, отстоящих друг от друга на величину менее или равную кТ. Влияние ловушек проявляется при характерных временах генерации электронов с ловушек г, = (г,п,(е))

В результате моделирования показано, что происходит сначала заполнение, а затем опустошение тех ловушек, энергия которых оказывается выше опускающегося, вследствие уменьшения тока проводимости через НК, квазиуровня Ферми. Максимальное заполнение более глубоких ловушек достигается при больших временах.

Error 1.9562

U = ЗО.О V», F = 5.0Э №)Усп. N = 5.00е+18 cn , fO = 1.2е-02, 9 = 1.64 eU 6 = 3.42S-13 см . St = З.ООе-1? см . Ni = 1.12е*19 ск , at = О.23 eU

Рис 1. Переходные характеристики накопления заряда в МОНОП структурах при 50 уровней ловушек. 1 - AU^ 2 - /, 3 - Js, 4 - f(x=0), 5 - ^ ~ Е' *10, 6 -Дх=0,£=£с-20кТ), Ц= 30 В, о - экспериментальные значения AU^.

Расчетные характеристики накопления становятся адекватными экспериментальным лишь при учете неоднородного пространственного распределения ЦЗ (рис 1.). Концентрация ЦЗ в НК в окрестности Si - Si02 границы (на расстоянии менее 2 нм от поверхности НК), определенная при помощи измерения характеристик стекания заряда МНОП структур составляла 2-=-3-10" см"3. Однако, в

ряде работ было показано, что их концентрация в объеме (на расстоянии более 2 нм от границ) составляет величину 5*8-10"см"3. Такое явное несоответствие позволяет предположить наличие неоднородного характера пространственного распределения ЦЗ. Результаты моделирования показывают, что имеется значительное влияние характера пространственного распределения ЦЗ на характеристики накопления заряда. При моделировании, в соответствии с экспериментальными результатами, полагалось, что происходит экспоненциальное уменьшение концентрации ЦЗ по мере

удаления от 81 - 5Ю2 границы: Л^(х) =/V,,-Лгу)ехр^--^, где Л^ -

концентрация ЦЗ вблизи поверхности, а - их концентрация в объеме, X -характерное расстояние (порядка 2-5-4 нм).

Сравнение с экспериментально определенными зависимостями характеристик накопления заряда показывает, что учет такого неоднородного пространственного распределения заряда дает лучшее соответствие с экспериментом. Параметры, позволяющие добиться наилучшего приближения были следующие:

Nf\ЛxlOn см-3, с,=3х10"17 см2, е=0.25 эВ; Ф=1.64 эВ

Важный вопрос связан с делокализацией состояний хвоста плотности в сильном электрическом поле. Как известно, сильное электрическое поле делокализует мелкие электронные состояния. Результаты моделирования процесса накопления со спектром

зависимости Д £/й(г) имеется лишь на начальной стадии накопления заряда. Это связано с тем, что при больших временах накопления заряда существенный вклад в динамику переходных процессов вносит лишь перезарядка глубоких ЛС, времена генерации с которых сопоставимы с временами накопления.

Далее в главе рассмотрен процесс рассасывания заряда при уменьшении напряжения на МДП структуре после накопления основной части заряда, (рис. 2)

Для этого решалась та же система уравнений с измененными начальным и граничными условиями. Граничные условия соответствуют напряжению, уменьшенному в момент начала рассасывания на 15%-25%. Начальное условие соответствует распределению поля в НК к началу рассасывания. Уменьшение напряжения плоских зон обусловлено долговременной релаксацией к значению, соответствующему максимальной величине ДС/^ при пониженном напряжении.

Динамика процесса рассасывания определяется спектром ЛС. Результаты (рис. 1, 2) иллюстрируют справедливость развитых представлений и адекватность работы программного комплекса при моделировании переходных процессов в МОНОП ЭП.

ЛХПС

показали, что незначительное отличие в

Error 1.95621

U = ЗО.О U, F = 5,ОЭ мили, N = б.50е+18 cn , fO = 1.2е-02, » = 1.64 eU S = 2.87е—13 СП , 6t = З.ООе-17 сп , N1 = 1.12е+1Э cn , et = О.23 eU

Рис 2. Переходные характеристики накопления и рассасывания заряда в МОНОП структурах при 50 уровней ловушек. 1 - AU^ 2 - /, 3 - Js, 4 - f(x=0), Eil /2) - Е-

5---—rr-L*10, 6 - y(x=0,s =£c-20kT), (7=30 В, о - экспериментальные значения

Ei

ÄUjb при накоплении заряда. Напряжение понижено до 24 В при t=0.1 с.

Вторая глава посвящена исследованию влияния протяжённых дефектов на транспорт носителей через диэлектрик в МДП структуре, и предпробойную деградацию МДП структур (МОП, МНОП и МОНОП) при инжекции носителей. На основе анализа опубликованных работ показана необходимость исследования влияния микродефекгов на деградационные процессы в структурах, приводящие к изменению зарядового состояния дефектов у границы раздела Si-Si02. Как известно, значительные токи утечки через диэлектрические пленки (окисел кремния, НК) в МДП структурах появляются в результате токовой деградации (пропускания через пленку значительной плотности заряда).

Приводятся оригинальные результаты регистрации гистограмм зарядовой стабильности МНОП и МОП структур. Для исследования электрических параметров МДП структур использовались тестовые структуры, полученные термическим окислением кремниевой подложки КЭФ-4.5 в атмосфере сухого кислорода и последующим нанесением AI электрода площадью S = 1 мм2

Малую зарядовую стабильность вполне естественно связывать с наличием протяженных дефектов у межфазной границы 51-8Ю2. Полагая, что эти протяженные дефекты распределены по поверхности межфазной границы случайным образом, их концентрация, в соответствии с распределением Пуассона ¿3= - где

доля дефектных структур.

Оказалось, что ЗС "бездефектных" МНОП структур на порядок превышает ЗС "бездефектных" МОП структур, что связывается с захватом электронов в НК. Меньшее влияние у - облучения на гистограмму ЗС МНОП структур по сравнению с воздействием на МОП структуры так же можно связывать с этим обстоятельством. Микродефекты лишь локализуют ток туннельной инжекции в диэлектрик. Результаты свидетельствуют в пользу того, что критическая поверхностная плотность заряда, пропускание которой приводит к пробою диэлектрика, отличается незначительно для МДП структур, сформированных в одном технологическом режиме, так как она определяется объемными свойствами диэлектрика.

Этот результат согласуется также с тем, что вид ВАХ всех трех типов МДП структур после необратимого пробоя описывается степенной зависимостью. Далее в главе показано, что такой вид ВАХ соответствует проводимости электронов по поверхности микротрещины в диэлектрической пленке, образовавшейся в результате необратимого пробоя диэлектрика и формирующейся в области протяженного дефекта у межфазной границы, который и ограничивает её длину.

Затем развивается теория проводимости исходно дефектных МДП структур (потенциально-дефектных МДП структур после пробоя в результате измерения ЗС) и проводится сопоставление с экспериментальными результатами. Для описания электрических свойств таких сложных объектов, как микропоры и микротрещины необходимо привлечение понятий из области физики неупорядоченных систем. Такая попытка описания транспорта носителей в дефектных областях диэлектрика оказалась весьма плодотворной. ВАХ характеризовались степенной зависимостью.

Полагалось, что распределение поверхностных ловушек по энергии, отсчитываемой от порога подвижности - экспоненциальное. Использовалось также представление о поверхностной проводимости в неупорядоченных двумерных системах:

сг= <т ехр(——),

где О"т=0,1 q2/ft = ЗхЮ"5 Ом"1 -минимальная металлическая проводимость в двумерных системах, q - заряд электрона, Н - постоянная Планка, еР-квазиуровень Ферми, отсчитываемый от порога подвижности.

Распределение электрического поля в диэлектрике определялось как суперпозиция электрических полей заряженных нитей и зарядов изображений. Эти нити расположены параллельно электродам.

Получено интегральное уравнение:

<1

Е(у) = \Ё{уГЩ К-Чу^у' , (5)

о

где Ё = 3~тпт,*л > 3 = Я'(у,у') определяется

положением заряженной нити у' и зарядов изображений. Полагая, что выполняется условие режима тока, ограниченного пространственным зарядом, (граничное условие - поле на границе 8ь8Ю2 Е(ф=0 ) получено следующее выражение для ВАХ дефектной МДП структуры:

/ = (6)

1 '

где I, -длина микротрещины, ./, = 2сгядЫ: / , V, = 2а дШ / еа и а = — \Ё(у)Лу.

Численное решение нелинейного уравнения (5) было получено методом простой итерации.

Показано, что полученное выражение хорошо описывает семейство экспериментальных ВАХ, зарегистрированных при различных температурах (рис 3.). Экспериментальные кривые находятся в хорошем соответствии с теорией при следующих величинах параметров: Т,=2200 К, Л', /(2дас1) = 1.57x10'3ст'1, а =4.85, /, = /(К,)аг//(ст„К,) = 5.7х10~5ол. Величина I, сопоставима с размером микродефектов (например дефектов упаковки) в приповерхностной области, регистрируемых с помощью сканирующего электронного микроскопа. Этот размер ограничивает длину микротрещины, которая формируется в результате пробоя диэлектрика.

V , в

Рис. 3. ВАХ дефектной МДП структуры. = 16.9 В, = 2x10 "3 А, Тс = 2200 К. 1 -293 К, 2 - 313 К, 3 - 330 К , 4 - 358 К. Прямые линии - расчетные ВАХ для соответствующих температур.

Третья глава посвящена исследованию МИДИ электрофизических параметров МДП структур. Для этого использовалась методика, развитая в главе II. В ней анализируется изменение ВАХ и гистограмм ЗС МДП структур, индуцированное воздействием ИМП. Воздействие ИМП (амплитуда 0.1-0.2 МА/м, длительность импульсов около 40 мкс) на пластины этой же партии приводило к значительному изменению гистограмм ЗС, но со значительной задержкой во времени (рис.4) Заметные изменения гистограммы ЗС наблюдались более чем через 100 часов после кратковременного (менее 20 с) воздействия ИМП.

Одним из основных эффектов воздействия ИМП на 81 - 8Ю2 является эволюция вольт - амперной характеристики тока утечки через диэлектрик. Вольт - амперные характеристики измерялись при подаче положительного напряжения на А1 - электрод, что соответствует случаю туннельной инжекции электронов из полупроводника в оксид. Заметный сдвиг ВАХ появлялся примерно через сутки после приложения ИМП. По характеру отклика на воздействие ИМП тестовые МОП структуры разделились на две категории. Для примерно 80% структур изменения сводились к

небольшим осцилляциям (менее 20%) положения В АХ относительно начальной кривой по оси приложенного поля. Однако примерно для 20 % МОП структур воздействие ИМП приблизительно через 5 дней приводило к сильному сдвигу влево и изменению характера ВАХ. Их характеристики становились похожи на ВАХ изначально дефектных МОП структур и описывались степенной зависимостью тока от напряжения в отличии от зависимости Фаулера - Нордгейма для бездефектных МОП структур. Такая проводимость объясняется транспортом электронов через локализованные состояния на поверхности микротрещины, сформированной высокой плотностью (N1 =10° см'2) разорванных связей. Используя результаты главы II установлены параметры микротрещины, образовавшейся в результате воздействия ИМП.

Важный результат состоит в долговременном немонотонном изменении плотности микродефектов, выявляемых с помощью гистограмм ЗС после воздействия ИМП на 8:' - БЮг систему (рис. 4). Оказалось, что увеличение плотности выявляемых микродефектов (т.е. увеличение доли МДП структур с малой ЗС ) коррелирует со сдвигом пика напряжения заданной утечки 11) бездефектных МДП структур в область меньших значений. Напряжение Ц соответствует напряжению на МДП структуре при пропускании через диэлектрик заданного тока 10 нА. Долговременное изменение напряжения 111 после воздействия ИМП связывалось с появлением значительных флуктуаций плотности встроенного в диэлектрике заряда. Эти флуктуации наиболее значительны в области микродефектов, характеризующихся повышенной концентрацией напряженных - и - О связей у межфазной границы - 5Ю2. Это обстоятельство и обеспечивает локализацию тока в областях микродефектов у межфазной границы, характерная площадь которых составляет 0.1 - 10 мкм2, и, соответственно, малую ЗС дефектной МДП структуры. Изменение плотности заряда (и соответственно её флуктуаций) у межфазной границы, индуцированное воздействием ИМП приводит к увеличению плотности регистрируемых протяженных дефектов - БЮ2 системы. Об увеличении флуктуаций этой плотности заряда свидетельствует регистрируемое после воздействия ИМП значительное уменьшение напряжения Ц по сравнению с исходным 11[ =35 В. При этом изменение средней величины встроенного заряда невелико, так как сдвиг напряжения плоских зон Д и^ порядка 0.5 В.

Принципиально новый результат состоит в том, что МИДИ £// носят затухающий колебательный характер. Это связано с реакцией неравновесных быстродиффундирующих примесных и собственных точечных дефектов, геттерируемых межфазной границей раздела, с напряженными связями в результате которой возможно появление заряженных центров в диэлектрике (например, Е'

центров). Аналогичные колебания концентрации неравновесных дефектов в кремнии известны при ионной имплантации и ионизирующем облучении. Источником появления неравновесных дефектов в обоих случаях являются локальные квазихимические реакции. Характерное время т появления флуктуации определяется её линейным размером L и коэффициентом диффузии быстродиффундирующих примесей: x»L2/D. Характерный линейный размер флуктуации неравновесных дефектов в приповерхностной области кремния составляет порядка 1-3 мкм. Поэтому, согласно рис. 4, где т«150 часов, получаем значение £>и10'13 см2с"', которое соответствует коэффициенту диффузии быстродиффундирующих примесей в кремнии (вакансия, водород и переходные металлы) и надлюдалось ранее в кремнии при радиационных воздействиях. Локальные квазихимические реакции индуцируются воздействием ИМП, приводящем к распаду примесно - дефектных комплексов (например COW) в приповерхностной области кремния.

Ш

5

40 т

30

3 20 + о

10 + ® о

—<1-

-+—D

о

—I—

1 I ' ■ ' I........ . , , ! . . . I . I I | ,. , . I , , . I , I , I . I , !

40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440

время (часы)

Рис. 4. Корреляция изменения плотности дефектов N и напряжения утечки ¿7; со временем после окончания кратковременного воздействия ИМП.

Полученные результаты согласуются с представлениями об изменении дефектной структуры приповерхностной области, обусловленной магнитоиндуцированным спин - зависимым распадом метастабильных дефектно -примесных комплексов (ДНК) в приповерхностной области кремния, миграцией продуктов распада и последующими реакциями дефектов в системах с диффузией, приводящими к значительному локальному изменению зарядового состояния границы раздела - $Ю2.

Регистрация долговременных магнитоиндуцированных изменений параметров МДП структур, связанных с транспортом носителей через диэлектрик позволяет выявлять потенциально - ненадежные МДП структуры.

В заключении перечислены основные результаты диссертации: 1. Разработан алгоритм численного моделирования переходных процессов при инжекции носителей заряда в аморфный диэлектрик МДП элемента памяти,

реализующий физическую модель накопления заряда в аморфном нитриде кремния МОНОП структур. Модель учитывает захват электронов как на неоднородно распределенные по толщине диэлектрика глубокие центры захвата, так и на хвост плотности локализованных состояний.

2. Создан программный комплекс, реализующий данный алгоритм для накопления и рассасывания заряда в нитриде кремния МОНОП структур и позволяющий оценивать влияние различных факторов на переходные процессы.

3. Показан немонотонный характер заполнения состояний хвоста плотности со временем и его влияние на процессы накопления и рассасывания заряда в МОНОП ЭП.

4. Проведены серии численных экспериментов, позволившие установить влияние параметров физической модели - энергетического положения и концентрация ЦЗ, спектра локализованных состояний хвоста плотности, сечение захвата локализованных состояний хвоста плотности, пространственного распределения ЦЗ по толщине ПК, делокализации состояний хвоста плотности в сильных электрических полях вблизи зоны проводимости. На основе сравнения с экспериментальными характеристиками установлены значения параметров центров захвата и их неоднородного пространственного распределения в нитриде кремния.

5. Получено уравнение для определения распределения поля по глубине сквозной микротрещины в диэлектрике дефектных тонкопленочных МДП структур и разработан алгоритм его численного решения. Проведено математическое моделирование проводимости дефектных тонкопленочных МДП структур с локальной сквозной микротрещиной в диэлектрике, получено распределение поля по толщине диэлектрика на поверхности микротрещины. Получены аналитические выражения, описывающие ВАХ дефектных тонкопленочных МДП структур с локальной сквозной микротрещиной в диэлектрике.

6. Установлено, что кратковременное воздействие магнитного поля (амплитуда »0.1 МА/м) на кремниевые МДП структуры, характеризующиеся внутренними механическими напряжениями, приводит к долговременным (несколько суток) изменениям зарядового состояния межфазной границы - БЮг и транспорта носителей через диэлектрик.

7. Показано, что магнитоиндуцированное долговременное изменение плотности микродефектов носит немонотонный характер, коррелирует с изменениями напряжения утечки МПД структур и связано с возникновением затухающие колебаний концентрации подвижных дефектов в системах с диффузией.

Основные научные результаты изложены в следующих работах,

1. Масловский В.М., Воробьева Е.А., Личманов Ю.О. Характеристики MOHOt элементов памяти с неоднородным распределением центров захвата в нитрид! кремния. Тезисы докладов Российской конференции с участием зарубежны) ученых "Микроэлектроника - 94" (Звенигород 1994), С. 371 - 372

2. Личманов Ю.О., Масловский В.М. Накопление заряда в МОНОП структурах с неоднородным распределением центров захвата в нитриде кремния. Автометрия 1995 №4, С 35 - 42.

3. Левин М.Н. Личманов Ю.О., Масловский В.М. Изменения зарядовой стабильности МДП структур, индуцированное импульсным магнитным полем. Письма в ЖТФ, 1994, т.20, № 4, С. 26 - 30.

4. Lichmanov J.O., Maslovsky V.M. Electron conduction of mickrocrack in dielectrics. Thin Solid Films. 1995, V. 277. P 134 - 136.

5. Maslovsky V.M., Lichmanov J.O., Samsonov N.S. Magnetic field induced prolonged changes of electric parameters of MOS structures. International conference on Solid State Devices and Matherials. Osaka. 1995. Extended Abstracts P. 285 - 286.

6. Maslovsky V.M., Lichmanov J.O., Samsonov N.S. Charge Stability of Si - Si02 and Si - Si02 - Si3N4 systems and its changes induced by pulsed magnetic field treatment. E -MRS 1994 spring meeting. Strasburg. Final book of abstracts. Simposium A. Abstract A - VII - XII/P48.

7. Масловский B.M., Личманов Ю.О. Долговременные колебания плотности дефектов в кремниевых системах, индуцированные импульсным магнитным полем. Тезисы докладов Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника - 94" (Звенигород 1994), С 323-324

8. Lichmanov J.O., Maslovsky V.M. Charge stability of Si - Si02 system and its changes induced by у - rays and pulsed magnetic field treatments. Mat. Res. Sos. 1994 Spring Meeting. San Francisco. Abstracts, (1994) CI 1.5.

9. Масловский B.M., Климов Ю.А., Личманов Ю.О.. Магнитоиндуцированные изменения дефектной структуры полупроводниковых систем. Всероссийская научно - техническая конференция "Электроника и информатика - 95". Тезисы докладов. Москва, МГИЭТ, 1995. С. 47 - 48.

10. Maslovsky V.M., Lichmanov J.O. Samsonov N.S. Charge stability of Si - Si02 systems and its changes induced by pulsed magnetic field treatment. Physics Letters A. 1995. V. 197. P. 253 -256.

И. Гонтарь В.М., Климов Ю.А., Личманов Ю.О., Масловский В.М. Магнитоиидуцированные изменения дефектной структуры систем Si - Si02. 2-ая Российская конференция по физике полупроводников. Тезисы, т.1, С. 142. -Зеленогорск, февраль 1996.

12. Lichmanov J.O., Minaev V.V., Bourmistrov A.N. Evolution of defect structure in MOS and MNOS structures induced by pulsed magnetic field treatment. The Electrochemical society Join International meeting 1997. Book of abstracts P.187-188.

13. Масловский B.M., Личманов Ю.О., Субочев A.H. Влияние у-облучения на зарядовую стабильность МДП-структур. Материалы VII межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1997 г.), стр.199200.

14. Личманов Ю.О., Масловский В.М., Субочев А.Н. Влияние спектра локализованных состояний на характеристики накопления заряда в МОНОП элементах памяти. Всероссийская конференция по физике диэлектриков. Санкт -Петербург 1997. Тезисы докладов. С.52-53