Высокополевая туннельная инжекция в системах металл-диэлектрик-полупроводник и разработка методов их контроля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

УДК 621.382 На правах рукописи

\

Столяров Александр Алексеевич

ШСОКШОЛЕВАЯ ТУННЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИЯ В СИСТЕМАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРЖ-ПОЛУПРОВОДНИК И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИХ КОНТРОЛЯ

Специальность 01.04.07.- Физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998г.

Работа выполнена в Калужском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана

"Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Бондаренко Г.Г. '

Официальны* оппоненты:

доктор физико-математических наук За болотный В.Т., доктор физико-математических наук, профессор Лопатин В.В.

доктор технических наук Попов О.Н. *

Ведущая организация ГП НИЦ "ДТОМ" (г.Москва).

Зашита диссертации состоится "18" июня 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета 063.68.04. в Московском государственном институте электроники и математики (Техническом университете) по адресу: 109028, г. Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (ТУ)

Автореферат разослан "_" _1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.063.68.04

к.ф.-м.н.,доцент Сезонов Ю.И.

Актуальность «темы., Увеличение степени интеграции изделий микроэлектроники обусловливает необходимость повышения их надежности, что неразрывно связано с совершенствованием методов производственного контроля интегральных схем (ИС). Достигнутый уровень развития технологии, высокая интеграция и надежность ИС и БИС на основе кремния указывают на то, что в качестве основного материала для. изготовления интегральных схем на ближайшие 10-15 лет останется кремний. Основными базовыми элементами ИС и ЕИС будут являться системл мгталл-диэлектрик-полупроводник (ВДП) с диэлектрическими слоями на основе термической двуокиси кремния. Увеличение степени интеграции микросхем обеспечивается уменьшением длин каналов и толщин под-затворного диэлектрика транзисторов в ВДП-технологии. Поэтому возрастает роль процессов в ИЦП-системах, связанных с влиянием сильных электрических полей. Воздействие инжекции носите-телей в диэлектрик ЩП-систём в таких полях приводит к изменению зарядового состояния диэлектрика, повышению плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, к.активизации деградационных процессов в электрически активных дефектах.

Важное научное и большое практическое значение имеет исследование воздействия высокопалевой туннельной инжекции на характеристики зарядов в ВДП-системе с двухслойным диэлектриком ЗЮ2-ФСС (фосфорно-силикатное стекло). Подзатворный диэлектрик ЗЮ2-ФСС используется во многих серийно выпускаемых полевых приборах для стабилизации их электрических характеристик. Образование пленок ФСС происходит также в системах 31-3102-31*(поликристаллический кремний, легированный фосфором), являющихся основой современных БИС. Несмотря на обилие работ, посвященных экспериментальным исследованиям зарядовой нестабильности и определению механизмов накопления зарядов в системах 31-ЗЮ2 и 31-ЗЮ2-ФСС, до настоящего времени не была разработана физико-математическая модель зарядового состояния система. 31-3 Ю2-ФСС, учитывающая основные механизма захвата носителей в двуокиси кремния и ФСС, положения центроидов зарядов, напряженности локальных электрических полей.

.В связи с широким распространением ВДП-технологии важнейшей задачей- является выявление потенциально ненадежных схем. Известны и широко применяются в производстве ЩП-ИС методики отбраковки потенциально ненадежных схем, основанные на термээлектротренировках микросхем в рабочих и форсированных

режимах. Однако процесс выявления дефектных схем такими методами длителен, энергоеъкж, применим только для готовых изделий и не может быть использован на ранних стадиях технологического процесса. Известны также мэтоды контроля дефектности подзатворного диэлектрика, такие как электрографический, электрохимический,, электролитический, электрофорезный и др., .к общим недостаткам которых следует отнести отсутствие количественной оценки дефектности и возможности полной автоматизации, большую длительность контрольно-измзрителъных операций. Поэтому была поставлена задача разработать электрофизические метода ускоренного выявления потенциально ненадежных схем, удовлетворяющих требованиям производства МДП-ВДС.

Особое место в исследовании дефектности и зарядовой нестабильности ЩП-систем принадлежит методам, использующим ик-жекцию носителей в диэлектрик в силу их чувствительности именно к электрически активным дефектам. Данные методы обладают высокой достоверностью, экспрессностью и мэгут быть применены в автоматизированных системах операционного технологического контроля в производстве ВДП-ШС. Однако развитию методов, использугацих инжекционные воздействия, мешает, с одной стороны, недостаточная изученность влияния туннельной инжек-ции на электрофизические характеристики ЭДП-систем, что не позволяет определить допустимые границы воздействий и провести обоснованный выбор режимов измерения. С другой стороны, недостаточно развиты инжекционные методы исследований и контроля, что ставит задачу дальнейшего их развития с учетом требований производства интегральных схем, важнейшими из которых являются: сокращение времени проведения контрольно-измерительных операций, уменьшение степени влияния на характеристики контролируемых структур, точная дозировка инфекционных воздействий, повышение информативности, снижение трудоемкости, возможность реализации в автоматизированных системах операционного контроля. Серьезной проблемой остается и отсутствие аппаратных средств для реализации инжекционных методов исследования и контроля'МДП-систем.

Цель работы. Установление на основе экспериментальных и теоретических исследований закономерностей влияния сильных электрических полей и высокополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик на электрофизические характеристики ЩП-систем и разработка методов и автоматизированных, средств производственного контроля дефектности и зарядовой нестабильности диэлектрических слоев в производстве ВДП-ИС и ШС.

В соответствии с поставленной целью бьши сформулированы следующие основные задачи.

1. Экспериментальные исследования воздействия высокополевой туннельной инжекции на системы 3±-3102-А1 и 31-3102-ФСС-А1, процессов зарядовой нестабильности и дефектности.

2. Моделирование процессор зарядовой нестабильности ВДП-систем при Еысскопсшевой туннельной инжекции в условиях равномерного и нерасналпрного протекания туннельного тока.

3. Разработка на основе результатов экспериментальных'и теоретических исследований ноеых методов исследования и контроля дефектности и зарядовой нестабильности ВДП-систем.

4. Разработка автоматизированных средств операционного контроля и апробирование в промышленности разработанных методов контроля, направленных на снижение дефектности и повышение зарядовой стабильности, и рекомендаций по их применению.

Каушкая носизна

На основании выполненных исследований разработано теоретическое описание процессов зарядовой нестабильности в МДП-структурах на основе системы Зл.-Зд.02-ФСС в условиях высокополевой туннельной инжекции. Впервые поставлена и решена на основе единого подхода к изучению явлений дефектности и зарядовой нестабильности проблема контроля инжекционной стойкости МДП-систем в производстве ЩП-ШС. При этом получены следующие новые результаты.

1. На основе экспериментальных исследований воздействия высокополевой туннельной инжекции на систему 31-3:10,-ФСС-А1 определены характеристики центров захвата электронов в ФСС и их зависимости от концентрации фосфора и толщины пленки фос-форно-силикатного стекла.

2. Установлено, что изменение кинетики .сдвига вольт-амперной характеристики в ВДП-системах 31-3102-ФСС-А1 с ростом напряженности электрического поля в условиях туннельной инжекции из кремния связано с накоплением положительного заряда в двуокиси кремния.

3. Впервые обнаружено, что в МЦП-системе 51-ЗЮ2-<1СС-А1 в слоях ФСС наблюдается существенное ослабление генерации дырок, ответственных за накопление положительного заряда в пленке двуокиси рремния при высокополевой туннельной инжекции из кремния.

4. Предлосвзны ьаделя зарядовой нестабильности ВДП-систем Б1-5Юг-ФСС-А1 на начальном этапе высокопалевой туннельной икжекции из кремния в условиях равнсъкрного и неравномерного протекания тока. •

5. На основе численного моделирования впервые исследованы процессы зарядовой нестабильности в областях дефектов и определены токовые нагрузки, плотности инжектированных в диэлектрик зарядов и их зависимости от параметров дефектных областей в условиях неравномерного распределения плотности туннельного тока на начальном этапе инжекдаи.

6. Разработан инжекционный метод определения параметров ВДП-структур, основанный на анализе временной зависимости напряжения на ВДП-структуре при подаче на нее импульса постоянного тока.

7. Цредложен новый способ исследования зарядовой нестабильности ЩП-систем, основанный на измерении токов термостимулированной деполяризации (ТСД), в котором поляризация образца осуществляется в условиях высокополевой туннельной ин-жекции электронов в диэлектрик.

Црактичасгсая цщ ¡кость ргбохы

Результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов зарядовой нестабильности и дефектности ЩП-систем лежат в основе разработки методов измерения параметров, устройств и автоматизированных систем контроля качества технологического процесса в производстве ВДП-ИС и БИС. Разработаны:

- четыре новых способа измерения напряжения микропробоя, по-, вышазсиие производительность контроля дефектности диэлектрических слоев;

- три новых схемы построения устройств для измерения напряжения мшфопрсбоя, позволяющие уменьшить время снятия испытательного напряжения и уменьшить время измерения напряжения микропробоя;

- новая конструкция зонда с жидким электродом, предназначенного для контактирования при реализации инжекционных методов контроля качества диэлектрических слоев на пластинах без металлизации в разработанных специальных тестовых модулях;

- метод контроля качества технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика по измерениям напряжения ин-

версии после проведения технологических операций, способ и устройство для измерения напряжения инверсии МЦП-структур;

- метод оценки дефектности подзатворного диэлектрика и области пространственного заряда (ОПЗ) ВДП-структур по напряжению неравновесного микропробоя;

- приборы и автоматизированные установки контроля и измерения параметров ЩЩ-систем и палевых приборов в условиях туннельной инжекции: измерители напряжения микропробоя ИМП-2М, КМП-ЗТ, цифровой измеритель напряжения инверсии ЦИНИ; установка контроля напряжения микропробоя УКНМП-2М; - автоматизированная установка для проведения инфекционных испытаний в режиме постоянного тока УОШ.

Новизна предложенных технических решений подтверздена авторскими свидетельствами на изобретения.

Применение разработанных новых способов, устройств и автоматизированных средств контроля дефектности позволило впервые установить корреляцию между результатами контроля дефектности подзатворного диэлектрика по измерениям напряжения микропробоя и выходом годных микросхем. Разработана модель, позволяющая прогнозировать выход годных схем на ранних стадиях технологического процесса.

Инжекционныи метод контроля дефектности изоляции и зарядовой стабильности применяется в качестве аттестационного на АО "Восход" {г.Калуга).

Подзатворнкй диэлектрик с улучшенными характеристиками дефектности изоляции и зарядовой стабильности применяется в высоковольтном слаботочном стабилизаторе тока на основе ДУЩП-транзистора (МС-СТ1 ТВО 205.002-16ТУ) и низковольтном слаботочном стабилизаторе на основе ВДП-транзистора (МС-СН1 ТВО 205.002-15ТУ) и других КВДП-ИС, серийно выпускаемых АО "Восход" (г.Калуга).

Разработанные метод контроля и автоматизированная установка контроля напряжения микропробоя УКНМП-2М (АВ 3.381.002-ПС) рекомендованы ОСТ 1120.9903-86 "Микросхема интегральные и приборы полупроводниковые, системы и методы операционного контроля в процессе производства, технические требования к технологическому процессу при аттестате! производства" (метод 3.36) для контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев и находятся в производственной эксплуатации на АО "Восход" (г.Калуга) и НИИМП (г. Зеленоград).

Полученные' в работе результаты используются в курсе "Электроника ■ и микроэлектроника", читаемом автором в КФ МГТУ.

Основнма полоскания и результата!, выносимыэ на sas^try

- Установленные на основе экспериментальных исследований закономерности воздействия высокополевой туннельной инжекции на систему Si-Si02 -ФСС-А1.

. - Модели зарядового состояния систеьы Si-Si02 -ФСС-AI на начальном этапе высокополевой туннельной инжекции из кремния при равномерном и неравномерном распределении тока и результаты их исследований.

-г Инжекционный метод определения параметров МДП-структур, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре' при подаче на нее импульса постоянного тока, позволивший осуществить единый подход к исследованию дефектности изоляции и зарядовой стабильности.

- Способы измерения и схемы построения устройств для определения , параметров ЩП-систем в условиях туннельной инжекции.

- Результаты применения инжекционных воздействий для контроля дефектности и зарядовой стабильности ВДП-систем в условиях производства ВДП-ИС и БИС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следухдих научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах: 11,111 и IV Всесоюзных научно-технических семинарах "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и мшфосхем" (Рязань,1981,1984,1987 г.), Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков" (Баку, 1982 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Технологические пути экономии трудовых и материальных ресурсов и интенсификации производства в. приборостроении" (Суздаль, 1983 г.), II и III Всесоюзных конференциях "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1986,1991 г.), XII Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний' сложных технических систем" (Калуга, 1989 г.), Всероссийских научно-технических конференциях "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов" (Калуга, 1993,1994 г.), Международных научно-технических конференциях "Приборостроение-95" (Винница-Львов, 1995 . г.), "Приборостроение-96" (Судак, 1996 г.), "Приборостроение-97" (Симеиз, 1997 г.), I и II Междуна-

родных конференциях по электротехническим материалам и компонентам МКЭМК-9 5 (Крым, 1995 г.), МКЗМК-97 (Москва, 1997 г.), III Российско-китайском (Калуга, 1996 г.) и IV Китайско-российском (Бедяин, 1997 г.) симпозиумах "Перспективные материалы и технологии", Научно-технической конференции 165 Лет МГТУ-им.Н.Э.Баумана (Москва, 1995 г.), II Международной конференции по модификации поверхности MPSL'96 (Cyi-ы, 1996), VI и VII Межнациональных совещаниях "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1996, 1997г.), II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96 (Рфым, 1996 г.), II Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика-97"(Зеленоград, 1997г.), научно-техническом семинаре " Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1996, 1997г.), III Международной научно-технической конференции " Микроэлектронт-ía и информатика"(Зеленоград, 1997г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 112 работ, получено 10 авторских свидетельств СССР.

Разработанные измеритель напряжения микропробоя ИМП-2М и установка контроля дефектности диэлектрических слоев МДП-ИС демонстрировались на ВДНХ СССР (1980,1984), получены бронзовая и золотая медали.

Структура и' обгьем дисхкртации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 307 страниц, включая 77 рисунков на 60 страницах и 6 таблиц. Список литературы содержит 311 наименований.

Содэриакиэ работы

Во введении обоснована актуальность и сформулированы цели и задачи работы, а также положения,выносите на защиту.

В первой главе дан критический анализ проблег&х разработ-' ки эффективных методов контроля дефектности диэлектрических слоев и состояния исследований зарядовой нестабильности МДП-систем в сильных электрических полях.

Многофакторность процесса изготовления ВДП-ИС обусловли-. вает разнообразие причин появления и физической природы дефектов. Безотказная работа полевых приборов определяется отсутствием в подзатворном диэлектрике дефектов, оказывающих влияние на нестабильность заряда в диэлектрике, - величину и ■ распределение электрического поля и тока, • Неоднородность электрического поля и тока наиболее ярко проявляется в силь-

ных электрических полях.' Рассмотрены процессы высокополевой туннельной инжекции по Фаулеру-Нордгейму в системах металл-диэлектритс-полупроводник, и показана перспективность использования высокополевой инжекции заряда в диэлектрик в качестве метода контроля и исследования дефектности и зарядовой нестабильности диэлектрических слоев ВДП-БИС.

Проведен анализ результатов работ по исследованию процессов зарядовой нестабильности ЩП-структур. Описаны основные механизмы нестабильности зарядов в термической двуокиси кремния в условиях инжекции. Показано, что к моменту начала работы имеющиеся экспериментальные данные о нестабильности заряда в системе БЛ-БЮ^-ФСС-М в условиях высокополевой туннельной инжекции носили противоречивый характер. Не были определены характеристики центров захвата носителей в ФСС, места их локализации. Отсутствовало теоретическое описание процессов накопления заряда в слоях ФСС. Ставится задача по комплексному исследованию процессов нестабильности заряда в системе 31-Бл.Ог -ФСС-А1 и разработки модели зарядового состояния данной систеьы в условиях высокополевой туннельной инжекции.

Вторая глава посвящена развитию методов исследования и контроля дефектности и зарядовой нестабильности ЩП-систем в сильных электрических полях в условиях туннельной инжекции.

Описаны разработанные новые способы измэрения напряжения микропробоя - напряжения на МДП-структуре, при котором через структуру протекает ток заданной величины, основанные на заряде емкости ЩП-структуры постоянным током, повышающие точность и сокращающие время измерения напряжения микропробоя, а, следовательно, уменьшающие инжекционную нагрузку структур во время проведения измерений. Отличительной особенностью предложенных способов измерения являлось фиксирование напряжения микропробоя при следующих условиях:

1) .^ = 0, (1) где и - напряжение на ВДП-структуре, t - время;

2, (2)

где & I) - разность напряжений на ВДП-структуре и емкости сравнения, СШ1~ емкость ЬЩП-структуры, 10- ток фиксирования напряжения микропробоя;

и

3) еш^к-в-!^ {3)

где К = Гс / Г0, 1с- постоянный' тек, которым заряжается емкость ВДП-структуры;

4) ^' и'ср п ■ т • К

где и' и и'СР - производные по времени напряжений на ВДП-структуре и емкости сравнения, п - Садп / Сср; Сср - емкость сравнения, т = 1СР / 1С, 1СР - ток заряда емкости сравнения.

Способ 1 позволяет исключить влияние емкостной составляющей тока, пропускаемого через структуру, а, следовательно, и емкости ВДП-структуры на результат измерения. При использовании в качестве верхнего электрода ртутного зонда емкость ВДП-структур может изменяться в пределах ± 50%, что в зависимости от вида вольт-амперных характеристик дефектов дает погрешность измерения напряжения микропробоя от ±2 до ±20%. Этот способ может применяться для измерения напряжения микропробоя ВДП-структур, емкость которых неизвестна. Использование данного способа по сравнению с измерением напряжения микропробоя на линейно изменяющемся напряжении позволяет сократить время измерения в 2-=-5 раз. Применение способов 2 и 3 позволяет уменьшить время измерения по сравнению со способом 1 в 5*10 раз. Способ 4 упрощает реализацию способа 2 за счет возможности произвольного выбора емкости сравнения.

Описаны две новые разработанные схемы построения устройств для измерения напряжений микропробоя, одна из которых отличается ьеньшим временем снятия измерительного напряжения с ВДП-структуры после фиксирования напряжения микропробоя, а вторая реализует способ 1 измерения напряжения микропробоя и обеспечивает исключение влияния на результат измерения емкостной составляющей тока.

Показано, что на основе измерения напряжений микропробоя при различной полярности верхнего электрода при проведении термополевых испытаний или при высокополевой инжекции заряда в диэлектрик можно определять положение центроида заряда, накапливаемого в диэлектрике ВДП-систем.

Экспериментально показано, что напряжение микропробоя ВДП-структур может характеризовать при его измерении в неравновесном режиме не только дефектность подзатворного диэлек-

трика, но и генерационные свойства границы раздела диэлектрик-полупроводник и области пространственного заряда. Получено выражение, связывающее напряжение неравновесного микропробоя со скоростью генерации заряда в ОПЗ и напряжением равновесного микропробоя.

Описан предложенный инжекционный метод определения параметров ВДП-систем, основанный на подаче на ВДП-структуру импульса постоянного тока и анализе временной зависимости' напряжения на образце в области низких и высоких полей. При этом измерение параметров заряда диэлектрика и границы раздела полупроводник-диэлектрик ВДП-систем, а также инжекция заряда в диэлектрик, проводятся в рамках одного метода.

Если ЩП-структуру в области низких полей заряжать импульсом постоянного тока из состояния аккумуляции или глубокой инверсии (рис. 1а), то при отсутствии тока инжекции ilaj через нее будет протекать емкостной ток ic. Тогда из временной зависимости напряжения на структуре Ux(t) (рис. 1Ь, участок I) можно получить зависимость емкости от напряжения, которая будет являться низкочастотной вольт-фарадной характеристикой (ВФХ). Емкость ЭД[П-структуры будет обратно пропорциональна производной временной зависимости напряжения на структуре по времени. Показано, что при заряде МЦП-структуры импульсом постоянного тока Г0 временная зависимость поверхностного потенциала <ps(t) будет описываться выражением:

<ps(t) = 0,(1) - ID ■ С]1 ■ t + А (5)

где Су- емкость диэлектрика; А- постоянная интегрирования, определяемая также как в методе низкочастотных ВФХ. Использование (5) позволяет получить зависимость поверхностного потенциала от напряжения на структуре без применения интегрирования. Получено выражение для определения дифференциальной плотности поверхностных состояний из зависимости напряжения на структуре от времени.

Применение известных методик определения параметров ЩП-структур по низкочастотным ВФХ позволяет определить при заряде МДП-структуры постоянным током в области низких полей: напряжение плоских зон, эффективный заряд диэлектрика, емкость диэлектрика, толщину диэлектрической пленки.

В области высоких полей, когда начинается инжекция заряда в диэлектрик (рис. 1Ь, 1с, участок III) , учет заряда ем-

Xo

-Io

XL

C)

Рис. -1. Временные зависимости амплитуды импульса тока (а), напряжения на ИЦП-структуре (Ь), ■ емкостного и инфекционного тока (с).

кости МДП-структуры позволил значительно расширить возможности метода постоянного тока. Показана возможность определения временных зависимостей заряда, инжектированного в диэлектрик, и тока инжекции из зависимости напряжения на ЩП-структуре от времени на всем протяжении инжекции от стадии заряда емкости структуры до пробоя образца. Из временных зависимостей тока инжекции и напряжения на образце (рис. 1Ь, 1с, участок III) гложет быть получена вольт-амперная характеристика (БАХ) на участке туннельной инжекции, из которой при построении ее в координатах Фаулера-Нордгейма можно определить высоту потенциального барьера инжектирукщей границы раздела. Минимальнкй уровень тока полученной ВАХ ограничен точностью измерений, а максимальный значением 10. Из временных зависимостей напряжения на ОДП-структуре на стадии инжекции (рис. Lb, 1с, участок IV), когда весь ток, пропускаемый через образец, является током инжекции, определяют сечения захвата зарядовых ловушек, р области высоких полей с помощью разработанных способов измерения определяется напряжение микропробоя.

■После инжекции в диэлектрик требуемого заряда осуществляется изменениё полярности токового импульса .(рис. 1а). Емкость ВДП-структуры начинает разряжаться током 'постоянной величины. Временные зависимости напряжения на структуре в об-

ласти высоких и низких полей при разряде емкости (рис. Ib, участоки V и VII) позволяют определять, с.использованием рассмотренных методик, теже параметры ВДП-сггруктуры, что и при заряде емкости. Это дает возможность оценить изменение характеристик ВДП-систем под действием туннельной инжекции в одном измерительном цикле.

Применение метода инжекции заряда при различных полярностях тока инжекции дает возможность определять плотность и .положение центроида заряда в диэлектрике.

Рассмотрено применение инжекции заряда в диэлектрик совместно с методами вольт-фарадных характеристик и токов тер-мостимулированной деполяризации (ТСД). В отличие от традиционно применяемой поляризации образцов в сильных электрических полях при повышенных температурах, поляризация исследуемых ЩП-структур под действием высокополевой туннельной инжекции в условиях постоянного тока, протекающего через структуру, позволяет уменьшить влияние на условия поляризации изменения зарядового состояния диэлектрика. Постоянство уровня тока, протекающего через структуру, достигается автоматической корректировкой прикладываемого к ЩП-структуре напряжения, что обеспечивает неизменность катодного электрического псля. Кроме того, применение вместо поляризации в сильных электрических полях инжекции носителей в диэлектрик позволяет исследовать характеристики центров захвата, накопление заряда на которых определяется инжектированным зарядом.

Использование разработанного метода инжекции в режиме постоянного тока позволяет упростить определение величины инжектированного заряда и параметров заряда, захваченного в диэлектрике. Изменение зарядового состояния диэлектрика контролируется по приращению напряжения на ВДП-структуре, что дает возможность проводить определение параметров заряда в диэлектрике на заданной стадии изменения зарядового состояния. Совместное использование метода инжекции, методов ВФХ и ТСД дает возможность комплексного исследования зарядовой нестабильности ВДП-систем и позволяет в значительной степени снять неопределенности, связанные с определением параметров заряда, захваченного в диэлектрике.

Рассмотрена разработанная автоматизированная установка для создания инжекционных высокополевых нагрузок УСИН, реализующая мэтоды ьасфопробоя и инжекции заряда в диэлектрик в рамках метода постоянного тока.

Описана экспериментальные! установки, использованные для исследования дефектности и зарядовой нестабильности ВДП-систем. в условиях высокопслевой туннельной инжекции.

Третья глава посвящена исследованию воздействий высокополевой туннельной инжекции на характеристики МДП-систем 51-ЗЮ2-А1,31-3102-ФСС-А1 И 31-3ю2-31\

Исследованы особенности накопления и растекания отрицательного заряда в система 31-5Ю2 -ФСС-А1 при инжекции электронов из кремния. Установлено, что при высокополевой инжекции заряда импульсами постоянного тока в диапазоне 1СГ7 -г 10"5А / см2 зарядовая нестабильность диэлектрической пленки связана с захватом электронов на ловушки в пленке ФСС. Накопление отрицательного заряда в объеме диэлектрика определялось величиной заряда, инжектированного в диэлектрик. Показано, что плотность заряда электронов, захваченных в пленке ФСС, описывается выражением: 11=2

О = 10 о

1=1

1 - ехрГ^

(б)

V <7

где £>м- плотность заряда в пленке диэлектрика при полном заполнении ловушек с сечением захвата ст.,; - плотность заряда, инжектированного в диэлектрик; ст- заряд электрона.

Из анализа экспериментальных зависимостей напряжения плоских зон, напряжений сдвига ВАХ при положительной лит (+) и отрицательной Лиг {-) полярностях металлического электрода (рис.2) было получено, что при инжекции электронов из кремния за накопление отрицательного заряда ответственны два типа электронных ловушек с сечениями захвата ох =1,4-10"15 см2 и о2 = 3,2 • 10~16 смг. Сечения захвата определялись из наклона завиаи-юстей 1п (а'£> / с!Ь ) =£ () . Центроид отрицательного заряда располагался в слое ФСС. Установлено, что с ростом амплитуды тока туннельной инжекции и напряженности электрического поля наблюдается уменьшение плотности отрицательного эффективного заряда, накапливаемого в диэлектрике, что может указывать на полевую зависимость процессов зарядовой нестабильности в системе 31-ЗЮ2-ФСС-А1.

Совместное применение методов термостимулированной деполяризации и инжекции заряда в диэлектрик для исследования характеристик центров захвата в диэлектрике позволило устано-

вить, что в системе Б102-ФСС энергия активации центров захвата, определенная по методу Гарлика - Гибсона, составляет 0,3 эВ. При температурах 370-г390°С наблюдалось накопление положительного заряда, центроид которого располагался вблизи границы раздела кремний - двуокись кремния. Энергия активаций центров захвата, ответственных за накопление положительного Заряда, составляла 1,5 _ эВ. Растекание отрицательного заряда, образовавшегося под действием туннельной инжекции, происходило • преимущественно через границу раздела диэлектрик-металл.

Еис. 2. Зависимости изменения напряжения плоских зон йигв (1) и напряжений сдвига ВАХ при положительной (2) и отрицательной (3) полярностях А1-электрода от заряда, инжектированного в диэлектрик.

Исследованы процессы зарядовой нестабильности ВДП-систем Б1-510;.-ФСС-А1 при инжекции электронов из алюминиевого электрода. В диапазоне токов туннельной инжекции 10~7 * 10~4 А / смг наблюдалось накопление отрицательного заряда в пленке диэлектрика, сопровождающееся при инжекции заряда, превышающего 2 • 10~4 Кл/смг, ростам плотности поверхностных состояний. Центроид отрицательного заряда не изменял своего положения в процессе инжекции и располагался в слое ФСС. Плотность отрицательного заряда составляла 2,5 • 10"7 Кл/см2. Полевая зависимость кинетики зарядовой нестабильности в системе 81-

ЗЮ2-ФСС-А1 при инжекции электронов из ашсминия не наблюдалась. Растекание заряда происходило преимущественно через границу ФСС-А1.

Исследовалось влияние концентрации фосфора в ФСС и толщины пленки ФСС на процессы зарядовой нестабильности ВДП-систем в условиях туннельной инжекции.

На основе анализа зависимостей напряжений сдвига ВАХ, плотности захваченного отрицательного заряда от заряда, инжектированного в диэлектрик, для пяти групп пластин с толщиной ФСС от 11 до 27 нм при толшине диэлектрика 100 нм, показано, что концентрация и сечение захвата электронных ловушек в ФСС слабо зависят от толпины пленки фосфорно-силикатного стекла. Сечения захвата определялись из наклона зависимостей 1п (¿1(2 / с1Ь) =£ () (рис. 3). Центры захвата электронов

локализуются в основном слое ФСС толщиной 5^-10 нм, прштегаю-

Рис. 3 Зависимости 1п(сф/с^) от заряда, .инжектированного в диэлектрик, МДГТ-структур с толщиной ФСС: 1-11 нм;

2-16 нм; 3-27 нм.

. Установлено, что смещение слоя ФСС, ответственного за захват' электронов, в сторону границы Зл.~ЗЮг с ростом толщины ФСС вызывает увеличение напряжения смещения ВАХ на участке насыщения зависимости ли1-±(01п:)) при инжекции электронов из кремния.

Определены причины наблвдагацейся полевой зависимости, связанной с уменьшение:-! величины захваченного отрицательного эффективного заряда с ростом амплитуда тока, при положительной полярности металлического электрода. С этой целью исследовались процессы зарядовой нестабильности ВДП-систем Бд.-8102-А1 и 5±-Б±02.-фсс-А1, изготовленных в едином технологическом цикле при различных плотностях тока туннельной инжек-ции (рис. 4.). Установлено, что в диапазоне плотностей туннельных токов 1СГ7 + 10~5А/см2 в ВДП-системах 31-ЭЮ2-М при инжекцки электронов из кремния происходит накопление положительного заряда, связанного с захватом дырок, генерированных межзонной ударной ионизацией в двуокиси 1фемния, на ловушки вблизи границы раздела полупроводник-диэлектрик (рис. 4, гфивые 4'-6'). Плотность захватываемого положительного

Рис. 4. Экспериментальные (значки) и теоретические (сплошные линии) зависимости изменения напряжения на ВДП-структурах 51-3:102-<1СС-А1 (кривые 1,1', 2,2', 3,3',7,8,9) и ЗЮ2-А1 (кривые 4,4', 5, 5', б, 6') от величины инжектированного заряда при амплитудах туннельного тока: 10° А / см2 (1,1',4,4',7); 10~6А / см2 (2,2', 5,5', 8); Ю'ьА/см2

(3,3', б, е,9).

заряда увеличивалась с ростом напряженности электрического поля в диэлектрике, а следовательно и плотности тока туннельной инжекции.

Показано, что уменьшение изменения напряжений на ВДП-структурах с ростом плотности токов туннельной инжекции в системе 51-ЗЮ2-ФСС-А1 (рис. 4, кривые 1'-3') связано с образованием положительного заряда в двуокиси кремния.

Проведено сравнение зарядовой нестабильности структур 3л.-31.02-3;1*и 31-3:102-А1 в условиях туннельной инжекции. Оточено, что ВДП-структуры 31-3102-3д.* характеризуются меньшим накоплением эффективного положительного заряда по сравнению со структурами Si-Si.O2-.Al. Отмечено, что уменьшение изменения напряжения сдвига ВАХ в процессе высокополевой инжекции электронов из кремния в структурах 31-3102-31* по сравнению'с 31-ЗЮ2-А1 может быть связано с захватом электронов в слое, образующемся в результате диффузии фосфора из поликремниевого электрода.

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния высокополевсй туннельной инжекции на процессы релаксации неравновесной емкости ВДП-структур. Установлено, что снижение времени релаксации неравновесной емкости в области сильных электрических полей может Сыть связано с протеканием токов туннельной инжекции.

Одновременное измерение ВАХ и ВФХ ВДП-структур на линейно изменяющемся напряжении показало, что характер изменения неравновесной емкости ВДП-структур в условиях протекания токов туннельной инжекции определяется типом проводимости полупроводника. В ВДП-структурах с полупроводником п-типа наблюдалось увеличение неравновесной емкости, тогда как у структур на р-кремнии наблюдалось возрастание толщины ОПЗ, сопровождающееся уменьшением неравновесной емкости.

Приведены результаты исследований дефектности изоляции и зарядовой стабильности ВДП-структур, проведенных на основе единого подхода к исследованию данных явлений с использованием одного мгтода исследований - инжекционного мэтода. Гистограммы распределений ВДП-структур по напряжению микропробоя и заряду, инжектированному до пробоя, (рис. 5) комплексно характеризуют диэлектрическую пленку. Гистограммы распределения структур по заряду, инжектированному до пробоя, построены для ВДП-структур из главного пика гистограмм распределений по на-

пряжению микропробоя. Показано, что исследованные структуры по характеру дефектов можно разделить на три группы. В первую группу входят ОДП-структуры, имеющие дефекты электрической изоляции, не входящие в главный пик гистограьалд распределения структур по напряжению микропробоя. Вторую группу составили ЩП-структуры с дефектами зарядовой стабильности, имеющие заряд, инжектированный до пробоя 0^<1,5 • 10~2 Кл/см2. Образцы, выдерживающие инжекцию заряда >2 • 10"2 Кл/см2, составили третью группу и характеризовали качество диэлектрика ОДП-систем.

А K/U

Рис. 5. Гистограммы распределения ЩП-структур по напряжению микропробоя и по заряду, инжектированному до пробоя, при плотности тока инжекции Ю~3 А/см2.

Показано, что инжекция заряда в диэлектрик позволяет выявлять дефекты зарядовой стабильности и оценивать устойчивость МДП-структур к токополевьм -воздействиям. Качество под-затворного диэлектрика не может однозначно характеризоваться параметрами дефектности изоляции или характеристиками зарядовой стабильности. Только совместное исследование локальных нарушений изолирующих свойств и зарядовой стабильности с использованием инжекционного метода позволяет комплексно характеризовать дефектность МЦП-структур.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию моделей зарядового состояния МДП-систем Si-Si02-Al и Si-Si02-ФСС-А1 в условиях туннельной инжекции.

Представлена физико-математическая модель зарядового состояния систем Si-Si02-Al при равномерном распределении тока туннельной инжекции. В рассмотренной модели зарядовой нестабильности ЩП-систем под действием туннельной инжекции учитывались следующие механизмы накопления зарядов: межзонная ударная ионизация в Si02 с образованием электронно-,дьрочных пар с последующим захватом дырок на ловушки" в окисле, а также захват инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками; захват электронов на первичные электронные ловушки в Si02.

При рассмотрении процессов накопления положительного заряда в двуокиси кремния за счет захвата дырок, генерированных межзонной ударной ионизацией, на нейтральные ловушки вблизи гранили раздела полупроводник-диэлектрик учитывалось распределение инжектированных электронов по энергии в Si02. Применительно к ВДП-системам, зарядовая нестабильность которых исследовалась в главе 3, определены параметры модели зарядового состояния. Расчетные зависимости изменений напряжений на ВДП-структурах Si-Si02-Al от инжектированного заряда приведены на рис. 4, кривые 4-6.

На основе сопоставления известных механизмов накопления зарядов в пленках двуокиси кремния и результатов экспериментальных исследований зарядовой нестабильности МДП-систем Si-Si О, -ФСС-А1, рассмотренных в главе 3, была разработана и исследована модель зарядового состояния систеъы Si-Si02-ФСС-Ai на начальном этапе туннельной инжекции ( Qïnj < 1СГ3 Кл/см2).

Изменение зарядового состояния системы Si-Si02-<I€C-Al в условиях высокополевой туннельной инжекции описывалось следующей системой уравнений:

Я -JT = ' М(х) ' о-р • (Np - р) - Ja ■ сг„ ■ р, (7)

РЯ

= N..

pgl

exp -

psrl

• Л • ¿j

Я )

+ N.

pQt

1 - exp -

>pg2

Jr. =

SAn

- Ezc exp

В0Ф.

3 / 2 \

= £сг - -2- [p(T - xP) - Л,(г - xn) - прд{т - Xpg)],

SSr,

(10)

(11)

где q - заряд электрона; Np - плотность дырочных ловушек; Jn - плотность туннельного тока инжекции; ор - сечение захвата дырок; (тп - сечение захвата инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками; М(х)~ коэффициент генерации дырок; nt - плотность электронов, захваченных в Si02 ; Nt,at - плотность и сечение захвата первичных электронных

ловушек в SiO,

прд~

плотность электронов, захваченных в

ФСС; N,

рд I

N,

рд 2 ' ард\

сг„„, - плотности и . сечения захвата элек-

тронных ловушек

ФСС;

площадь

А„

МДП- структуры / 2

1,54 • 10"6(шс / ш*) А • эВ ■ В"2, В0 = 6,83 • 107(m* / bJq)1

В • эВ~ • см' - постоянные туннельной инжекции по Фаулеру-Нордгейму (п^- мзсса покоя электрона, эффективная мас-

са); фв- высота потенциального барьера; Ес- напряженность катодного электрического поля; и - напряжение на 1-ЩП— структуре; Т- толщина диэлектрика; Хр - положение центроида положительного заряда; Х£, Хрд-положения центроидов заряда на электронных ловушках в ЗЮ2 и ФСС, сответственно. Уравнения (7-9) описывают накопление дырок в ЭЮ^, захват электронов на первичные ловушки в двуокиси кремния и захват электронов в ФСС, соответственно. Плотность тока туннельной инжекции определяется зависимостью Фаулера-Нордгейма (10). Уравнение (11) описывает изменение напряжения на ВДП-структуре, обусловленное захватом электронов и дырок в диэлектрике, при постоянном уровне тока туннельной инжекции.

На основе анализа расчетных зависимостей напряженности локальных электрических полей и сопоставления расчетных зави-

симостей изменений напряжений на МДП-структурах от инжектированного заряда с экспериментальными (рис. 4, кривые 1,2,3,1',2',3' и 7,8,9) установлено существенное ослабление генерации межзонной ударной ионизацией дырок в слое ФСС, ответственных за накопление положительного заряда в двуокиси кремния, что может быть связано с отличием параметров ударной ионизации в фосфорно-силикатном стекле и двуокиси кремния. В частности, пороговое поле ударной ионизации в -ФСС при расчете кривых 7,8,9 принималось равным пороговому полю ударной ионизации в БЮ2 6,4 МВ/см. При расчете 1фивьк 1,2,3 пороговое поле ударной ионизации в ФСС равнялось 9,8 МВ/см.

На уровне модели подтверждено высказанное в главе 3 предположение о том, что при высокополевой инжекции электронов из кремния импульсами постоянного тока полевая зависимость изменения напряжения на ВДП-системе 51-51Сг-ФСС-А1 обусловлена накоплением положительного заряда в пленке двуокиси кремния. Расчетные зависимости изменений напряжений на ВДП-структурах 81-ЗЮ2-ФСС-А1 от -инжектированного заряда приведены на рис. 4, кривые 1-3.

Исследованы процессы зарядовой нестабильности ВДП-систем Б а -ЭЮ, -ССС-А1 с различной толшиной двуокиси кремния и фос-форно-силикатного 'стекла. Показано, что увеличение толщины двуокиси кремния в системе ЗА-БЮ, -ФСС -А1 может вызывать изменение характера зависимости напряжения сдвига ВАХ от заряда, инжектированного в диэлектрик, связанное с усилением скорости накопления положительного заряда дырок на начальной стадии инжекции и ослаблением влияния отрицательного заряда электронов, захватывающихся в слое ФСС. Показано, что зарядовая стабильность ЩП-систем 31-3102 -ФСС-А1 может Сыть повышена за счет оптимального выбора толщины пленок двуокиси кремния и ФСС.

Рассмотрены особенности процессов зарядовой нестабильности в МЦП-системах при инжекции заряда в режиме постоянного напряжения или постоянного тока.

. Показано, что в системе 31-ЗЮ2-А1 для инжекции в диэлектрик одной и той же величины заряда при постоянном напряжении требуется меньшее время, по сравнению с режимом постоянного тока. Однако, режим постоянного напряжения для систем 31-3102-А1 является более жестким, приводит,к значительным изменениям зарядового состояния и возрастанию токовой нагруз-

ки ВДП-систем и москет выбывать пробой ВДП-структуры. В режиме постоянного напряжения в ЭДЦП-системах 8л.-8Ю2-ФСС-А1 наблкг-далась меньшая полевая зависимость изменений напряжений сдвига ВйХ, чем в режиме постоянного тока. Использование режима постоянного тока для инжекции заряда в системе 3:1-3 л. 02 -ФСС-А1 уменьшает время проведения инжекционных исследований.

Рассмотрены разработанные модели зарядовой нестабильности ВДП-систем Зэ.-5л.02-А1 и 31-8Ю2-ФСС-А1 в условиях неравномерного распределения тока туннельной инжекции, в которых ВДП-структура представлялась в виде сум^ы площадей дефектной области с аномальными характеристиками и бездефектной части структуры. В пределах кажцой из областей процессы зарядовой нестабильности описывались на основе ранее расмотренных моделей. Представленные модели зарядовой нестабильности ВДП-систем с дефектными областями учитывают перераспределение тока между дефектной и бездефектной частями структуры и позволяют исследовать процессы накопления зарядов в диэлектрике дефекта как при длительной инжекции, так и на начальном этапе инжекции при заряде емкости структуры.

Приведены результаты моделирования зарядовой нестабильности ВДП-систем Зз.-ЗЮ2-А1 и Б1-3102-ФСС-А1, содержащих дефекта, связанные с пониженным потенциальным барьером на границе раздела полупроводник-диэлектрик 24-2,8 эВ, и меньшей толщиной диэлектрика 80*100 нм, в режиме постоянного тока на начальном этапе инжекции заряда в диэлектрик при положительной полярности металлического электрода в условиях' неравномерного распределения тока по площади структур.

В дефектах ВДП-систем 31-3102-ФСС-А1 с толщиной диэлектрика 8090 нм на начальном этапе инжекции наблюдалось преимущественное накопление положительного заряда (рис. б, кривые 1-4), а в дефектах с меньшим потенциальным барьером - отрицательного (рис. б, ¡фивые 5-9). В дефектах с эффективной толщиной диэлектрика 90+100 нм наблодалась 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 ВДП-структур 31-3102-А1 и 31-Б Ю2 -ФСС-А1 возрастали с уменьшением высоты потенциаль-

ного барьера, толшины диэлектрика, с увеличением отношения площади бездефектной части МЦП-структуры к площади дефекта и с ростом плотности тока туннельной инжекции, пропускаемого через структуры.

Рис. 6. Расчетные завистолэоги напряжений сдвига ВАХ от времени в областях дефектов с толщиной диэлектрика 80 нм (1-4,11) и с высотой потенциального барьера 2 эВ (5-9,10) при плотностях тока туннельной инжекции, пропускаемого через ЩП-структуру: 4,5,11 - 10~6А / см2, 3,6 - 2,5 • 10~6 А / см2, 2,7-5-10"* А /см2, 1,8 - 1.0'5 А /см2, 9,10 - 5 • 10"5 А / см2. Кривые 1-9 - 31-310.,-ФСС-А1 , кривые 10,11 - Э1-ЗЮ2-А1.

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 тоуаки зрения пробоя в области дефекта. Параметры областей дефектов, высота потенциального 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.

Наличие пленки ФСС снижает токовые нагрузки и степень изменения зарядового состояния диэлектрика в области дефектов

за счет компенсации накопления положительного заряда в двуокиси кремния захватом электронов в ФСС (рис. б, крииые 9,10 и 4,11).

В пятой главе рассмотрены основные направления практического использования результатов исследований воздействия еы-сокополевсй туннельной инжекции на ВДП-систеьи и разработан' иых методов определения параметров дая создания автоьдатизиро-ванных установок операционного контроля производства ВДП-ИС и БИС.

Представлена автоматизированная установка - контроля качества диэлектрика по напряжению микропробоя УКНМП-2М, предназначенная для исследования и контроля дефектности изолирующих слоев ВДП-ИС и БИС на пластинах без металлизации. Рассмотрена схема построения и особенности работы основного блока установки измерителя напряжения микропробоя ИМП-2М, обеспечивающего неразрупвшций режим измерений за счет снижения тока фиксирования напряжения микропробоя до 10~6 А и времени отключения испытательного напряжения до 5 • 10~8 с. Рассмотрен разработанный измеритель напряжения микропробоя ИМЛ-ЗТ, реализующий способ 1 измерения напряжения микропробоя, при заряде емкости ВДП-струкауры постоянным током, позволивший сократить время контроля дефектности ВДП-структур по измерениям напряжения микропробоя.

С использованием разработанной автоматизированной установки контроля напряжения микропробоя исследованы распределения напряжений микропробоя по площади пластин и ВДП-структур по напряжению микропробоя. На основе проведенных исследований определены методические особенности применения напряжения микропробоя для контроля дефектности диэлектрических слоев.

Проведена сравнительная оценка методов контроля дефектности диэлектрических слоев, применяемых в производстве ВДП-ИС и ВС. Проведенные исследования плотности дефектов диэлектрических слоев на пластинах без металлизации с применением электрохимического метода и метода микропробоя показали, что плотности дефектов, выявляете методом микропробоя, в ,2-КЗ раза вьше плотности дефектов, обнаруживаемых электрохимическим методом. Метод микропробоя по сравнению с электрохимическим методом обладает большей чувствительностью, достоверностью и позволяет получать количественную оценку дефектности диэлектрических слоев, при высокой автоматизации контрольно-измерительных операций.

Рассмотрено применение зондов с жидким электродом при реализации инфекционных методов контроля в производстве МДП-ИС. Разработана конструкция зонда с жидким электродом, позволяющая осуществлять контактирование в тестовых модулях до проведения операции металлизации, в которой стеклянный капилляр с ртутным контактом располагается над пластиной под углом к ней, что дает возможность осуществлять визуальный контроль под микроскопом за процессом контактирования. Зондовые головки такой конструкции были применены для контроля зарядовой стабильности диэлектрических слоев под действием токов туннельной инжекции на пластинах без металлизации сразу после формирования подзатворного диэлектрика, а также для операционного контроля технологических операций в производстве ЩП-ИС и БИС с применением измерений напряжения инверсии.

Для обоснования возможности использования ртутных зондов в производстве ВДП-ИС и ВДП-БИС при применении инжекционных методов контроля исследованы поверхности подзатворного диэлектрика " Si02-ФСС после контактирования ртутным зондом при контроле дефектности диэлектрика методом мшфопробоя, и проведен сравнительный анализ эффективности традиционных методов очистки поверхности диэлектрика от остатков ртути. Измерение концентрации атомов ртути на поверхности диэлектрика осуществлялось методом обратного резерфордовского рассеяния на пучке

ионов 4Не+ ускорителя ЭГ-2,5. Обнаружено, что максимальная остаточная концентрация ртути На поверхности подзатворного диэлектрика после проведения измерений напряжения микропробоя не превышала 1012 атомов/см2. Установлено, что стандартная химическая очистка, состоящая из последовательных отьывок в смеси "Каро" и перекисно-аммиачном растворе, снижает концентрат®) ртутных загрязнений до 5 - Ю10 ч- 10й атомов/см2.

Показана возможность применения импульсных инжекиионных воздействий для оценки качества диэлектрических слоев в ЩП-системах с плавающим затвором, в котором индикатором величины импульсных токов служит заряд плавающего затвора. Показано, что по характеристикам стекания заряда с плавающего затвора под действием импульсов напряжения можно оценивать качество окисла по полизфисталлическому кремнию. Структуры, характеризующиеся ускоренным стеканием заряда при повышенных температурах, как показали проведенные исследования, отличаются и ускоренным стеканием заряда под действием импульсов напряжения, что делает возможный использование импульсных инжекцион-

ных '-испытаний для выявления структур с пониженным временем хранения информации-

Установлено, что величины на/ряжения инверсии тестовых МДП-структур, измеренные на пластинах без ЬЕэталпизации, между проведением отдельных технологических операций с применением Фондовой головки с ртутные электродом, чувствительны к незначительным отклонениям технологических режимов и позволяют количественно оценивать качество применяемых материалов, технологической оснастки, наличие загрязнений на поверхности пластин. Предложены способ и схема построения устройства для автоматизированного определения напряжения инверсии МЦП-структур. Разработан цифровой измеритель напряжения инверсии ЦИНИ.

Показана возможность прогнозирования выхода годных микросхем по высоте главного пика гистограмм распределения структур по напряжению микропробоя на ранних стадиях технологического процесса.

Исследования гистограмм распределения структур по напряжению микропробоя партий микросхем серии 564 и сопоставление полученных результатов с данными по выход/ годных схем в этих партиях позволило получить зависимость процента выхода годных схем от высоты главного пика гистограмм, которая характеризуется двумя участками - участком почти линейной зависимости процента выхода годных от высоты главного пика и участкам насыщения.

Появление участка насыщения на зависимости процента выхода годных схем от высоты главных пиков гистограмм связано с тем, что дефектность диэлектрика при данной степени интеграции микросхем серии 564 не оказывает влияния на выход годных схем, который определяется технологическими операциями, не связанными с формированием подзатворного диэлектрика. Предложена модель, позволяющая оценивать выход годных схем по результатам контроля дефектности подзатворного диэлектрика методом измерения напряжения микропробоя.

Приведены результаты исследования методом микропробоя влияния технологических операций на дефектность подзатворного диэлектрика и стабильности технологического процесса изготовления ВДП-ИС серии 564. Исследование дефектности партий пластин, изготовленных в различное время показало, что дефектность подзатворного диэлектрика заметно изменяется от партии к партии, оставаясь одинаковой в пределах пластин одной партии. Высоты главных пиков гистограмм различных партий пла-

стин составляли от 0,17 до 0,37 В"1, тогда как в пределах одной партии высоты главных пиков отличались не более чем на

0,03 В"1.

Полученные результаты указывают на нестабильность технологического процесса во времени. Исследование дефектности диэлектрика в пределах пластины показало, что она слабо зависит от расположения ЩП-структур на пластине. Значения разброса высот главных пиков гистограмм лежали в пределах

0,006*0,03 В"1.

Проведенный анализ гистограмм распределений структур по напряжению микропробоя после проведения операций окисления, стабилизации ФСС, подлегировадия и металлизации показал, что операция стабилизации ФСС снижает дефектность подзатворного диэлектрика. Операция подлегирования, проводимая после получения двуокиси кремния, не оказывала заметного влияния на дефектность диэлектрической пленки. Однако подлегирование, проводимое после стабилизации 'ФСС, увеличивало дефектность подзатворного диэлектрика, снижая высоты главных пиков гисто-граъм распределений структур по напряжению микропробоя с 0,37 В'1 до 0,18 В"1. Обнаруженные дефекты, создаваемые ионной имплантацией, отжигаются в результате проведения высокотемпературного отжига.

На основе единого подхода к исследованию дефектности изоляции и зарядовой стабильности с применением инжекционного метода и разработанной установки УСИН были исследованы реж^аы операции термического отжига подзатворного диэлектрика МЦП-ИС. На основе анализа полученных экспериментальных данных о плотности электрически активных дефектов, определенных методам измерения напряжения микропробоя, и о плотностях заряда, инжектированного до пробоя, после проведения операций окисления, стабилизации ФСС, термического отжига, ионного подлегирования, металлизации, установлено, что на качество подзатворного диэлектрика при осуществлении операции отжига существенное влияние оказывает расход газа и время выгрузки из диффузионной печи. Полученные экспериментальные зависимости позволили оптимизировать режимы проведения операции высокотемпературного отжига с целью снижения дефектности подзатворного диэлектрика на АО "Восход" г.Калуга (Операционная карта технологического процесса ТВО 734 525 ТК2. Обработка термическая .).

ОсноЕшьза результаты и вывода

1. Определены закономерности накопления отрицательного заряда в пленках ФСС в условиях высокополевой туннельной инжекции. В результате изучения зависимостей накопления отрицательного заряда в .ФСС от инжектированного в диэлектрик заряда показано, что за захват электронов в пленке фосфорно-силикатного стекла ответственны два вида ловушечных центров с сечениями захвата 1,4 • 10"15см2и 3,2 • 1(Г16смг, локализукшихся в объеме ФСС. Концентрация и сечение захвата электронных ловушек слабо зависят от толщины слоя ФСС. Увеличение напряжения смещения ВАХ с ростом толщины пленки ФСС связано со смещением центроида отрицательного заряда, захваченных на ловушки электронов, ь сторону границы 31-3 л.02 .

2. На основании исследований зависимостей напряжений сдвига • ВАХ от заряда, инжектированного в диэлектрик ВДП-систем 31-ЗЮ2-А1 и 51-8Ю2-ФСС-А1, изготовленных в одном технологическом цикле, установлено, что уменьшение величины напряжений сдвига ВАХ с ростом напряженности электрического поля в условиях туннельной инжекции электронов из кремния связано с накоплением положительного заряда в двуокиси кремния.

3. Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей изменения зарядового состояния диэлектрика ВДП-систем Б1-3102 -ФСС-А1 от инжектированного заряда с учетом зависимостей напряженностей локальных электрических полей в ФСС позволило установить, что в слоях ФСС наблюдается существенное ослабление генерации дырок межзонной ударной ионизацией, ответственных за накопление положительного заряда в двуокиси кремния.

4. Предложены модели зарядовой нестабильности ЩП-систем 31-5Ю2-ФСС-А1 на начальном этапе высокопалевой туннельной инжекции в условиях равномерного и неравномерного протекания туннельного тока.

5. На основе численного моделирования с использованием разработанных моделей зарядового состояния исследованы процессы зарядовой нестабильности в системах 51-5Ю2-А1 и Бз.-Б102-ФСС-А1 с дефектами, характеризующимися пониженным потенциальным барьером на инжектирующей границе и меньшей толщиной диэлектрика. Показано, что наибольшая токовая нагрузка

наблюдается на начальном этапе инжекции. Наличие пленки ФСС снижает токовые нагрузки в областях дефектов.

6. Предложен единый подход к. изучению дефектности изоляции и зарядовой стабильности с использованием разработанного инжекционного метода определения параметров ЩП-структур, основанного на анализе временной зависимости напряжения на Г4ЦП-структуре при подаче на нее импульса постоянного тока.

7. Предложен способ исследования и контроля зарядовой нестабильности МЦП-систем, основанный на измерении токов ТСД, в котором поляризация образца осуществляется в условиях высокополевой туннельной инжекции заряда в диэлектрик в режиме постоянного тока.

8. Разработаны четыре новых способа изьззрения напряжения микропробоя,' оснозанные на заряде ЩП-структуры током постоянной величины, повышающие точность и сокращающие время измерения напряжения микропробоя. Предложены три новых схемы построения устройств для измерения напряжения микропробоя, уменьшающее инжекционные нагрузки структур за счет уменьшения вре&йни снятия испытательного напряжения и времени измерения.

9. Создана новая конструкция зонда с жидким электродом. Разработан способ и устройство для измерения напряжения инверсии. Разработан тестовый модуль для проведения контроля параметров ВДП-систем с использованием инжекционных методов на рабочих пластинах.

10. Показана возможность оценки дефектности подзатворно-го диэлектригса и СТО МДП-структур по напряжению неравновесного микропробоя и выявления потенциально ненадежных структур с плавающим затвором по характеристикам стекания заряда с плавающего затвора при импульсных инжекционных воздействиях.

11. Установлена корреляция маяду результатами контроля дефектности подзатворного диэлектрика по измерениям напряжения микропробоя и выходам годных микросхем. Разработана модель, позволяющая прогнозировать выход годных схем на ранних стадиях технологического процесса.

12. На основе единого подхода к изучению дефектности изоляции и зарядовой стабильности с использованием инжекционного I-к то да контроля -разработаны и осуществлены мероприятия по совершенствованию технологического процесса получения подзатворного диэлектрика на АО "Восход" г.Калуга.

• 13. Методика и аппаратура (измеритель напряжения микропробоя ИМП-2М) для контроля дефектности диэлектрических слоев

методом измерения напряжения микропробоя рекомендованы ОСТ 1120.9903-86 "Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые, систеьы и методы операционного контроля в процессе производства, технические требования к технологическому процессу при аттестации производства" (метод 3.36) и находятся в производственной эксплуатации на предприятиях электронной промышленности.

Основныа публикации по томе диссертации

1. Столяров A.A. Зарядовая нестабильность параметров ВДП-структур при неравномерном распределении тока туннельной инжекции. Известия вузов. Электроника. 1997. К' 6. С. 29-36.

2. Столяров A.A. Исследование влияния ионной имплантации на дефектность пленок двуокиси кремния, пассивированных фос-форно-силикатным стеклом. «Зизика и химия обработки материалов. 1998. № 2. С.5-8.

3. Столяров A.A. Исследование влияния пассивирующих слоев на нестабильность зарядов МДП-структур при туннельной ин-жекции. Известия вузов. Электроника. 1998. № 2. С. 17-23.

4. Столяров A.A. Повышение качества диэлектрических слоев на основе исследования дефектности изоляции и зарядовой стабильности. Перспективные материалы. 1998. № 3.

5. Столяров A.A. Исследование ЩП-структур в неравновесных условиях при высокополевой туннельной инжекции электронов. Материалы VII Межнац. совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь. 1998.

6. Столяров A.A. Исследование характеристик ВДП-структур -с зарядовыми дефектами. В сб."Методы исследования и проектирования сложных технических систем". М.:МГТУ. 1997. С.72-77.

7. Столяров A.A. Моделирование зарядовой деградации ВДП-систем при высокополеЕых воздействиях в условиях неоднородного протекания тока. Материалы докл. научно-техн. семинара "Шумовые и деградационкые процессы в полупроводниковых приборах". М.: МЭИ. 1998. С. 445-449.

8. Столяров A.A. Модель зарядового состояния системы Si-SiOz-<íCC-Al в условиях неравномерного токопереноса. В сб. "Математическое моделирование сложных технических систем". М. :МГТГУ. 1997. С. 71-76.

9. Столяров A.A. Моделирование зарядовой деградации ВДП-систем с дефектами под действием инжектированных электронов. Материалы VII Межнац. совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь. 1997. С. 182.

10. Столяров A.A. Автоматизированный контроль дефектности диэлектричесгаос слоез ВДП-БИС по напряжению микропробоя. Сб. тез. докл. Всесоюз. научно-техн. конф. "Технологические пути экономии трудовых и ьатериальных ресурсов и интенсификации производства в приборостроении." Москва. 1983. С. 89-90.

11. Андреев В.В., Барышев В.Г., Бондаренко Г.Г., Столяров A.A., Шахнов В.А. Зарядовая деградация ВДП-систем с термическим оксидом кремния, пассивированным фосфорно-силикатным стеклом, при высокопалевой туннельной инжекции. Микроэлектроника. 1997. I? 6. С.640-646.

12. Бондаренко Г.Г., Столяров A.A. Исследование влияний легирования двуокиси кремния фосфором на зарядовую нестабильность МЦП-структур с услозиях туннельной инжекции. Физика и химия обработки материалов. 1997. Кв. С. 22-26.

13. Барышев В.Г., Столяров A.A. Локальная нестабильность заряда диэлектрика ВДП-систем. Сб. тез. докл. Всесоюзн. научной конф. "Физика диэлектриков". Баку. 1982. С. 97.

14. Барышев В.Г., Боханкезич В.И., Онопко Д.И., Столяров A.A. Автоматизированная установка для операционного контроля, изолирующих сеойств диэлектрических слоев ВДП-БИС. Электронная техника. Сер.З. Микроэлектроника. 1982. Еып.4. С. 62-64.

15. Варытев В.Г., Столяров A.A. Исследование дефектности тонкопленочного диэлектрика методом микропробоя. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1983. Еып.9. С. 72-74.

16. Барышев В.Г., Столяров A.A. Установка для автоматизированного изьазрения напряжения инверсии ВДП-структур. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1984. Вып.З. С.77-78.

17. Барышев В.Г., Столяров A.A. Зарядовая нестабильность тонкопленочного диэлектрика в. области предпробивных токов. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1985. Еып.7. С.60-64.

18. Барышев В.Г., Столяров A.A., Сидоров Ю.А. Прогнозирование выхода годных схем по дефектности тонкопленочного диэлектрика. Электронная техника. Сер.6. Материалы 1985. Еып.1. С. 68-70.

19.. Барьшев В.Г., Столяров A.A., Сидоров Ю.А. Исследование .неоднородности зарядового состояния тонкопленочного - диэлектрика Si02-$CC в партии полупроводниковых. пластин. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986. Вып.1. С. 76-78.

20. Барышев В.Г., Столяров A.A., Андреев В.В. Исследование особенностей накопления и растекания отрицательного заряда в тонкопленочном диэлектрике. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986. Вып.4. С.45-48.

21. Барышев В.Г., Столяров A.A. Деградационные явления в МДП-структурах под действием предпробивных токов. Сб. тез. докл. II Всесоюз. конф. Физические осноеы надежности и деградации полупроводниковых приборов". Кишинев. 1986. С. 14.

22. Барышев В.Г., Столяров A.A. Метод постоянного тока при исследовании тонкопленочных диэлектриков в сильных полях. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986. Вып.10. С.71-81.

23. Барышев В.Г., Столяров A.A., Сидоров Ю.А. Особенности накопления заряда в системе Si-Si02 -ФСС-AI под действием микротоков. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986. Вып.10. С.74-76.

24. Барышев В.Г., Столяров A.A., Андреев В.В. Зарядовая нестабильность тонкопленочного диэлектрика в системе Si-Si 0г -ФСС- AI при инжекции электронов из А1-электрода. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1987. Вып.4. С.59-61.

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

26. Барышев Б.Г., Столяров A.A., Сидоров Ю.А., Чухраев И.В. Сравнительная оценка методов контроля дефектности диэлектрических пленок. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1990. Вып.1. С.72-76.

27. Андреев В.В., Барышев В.Г., Сидоров Ю.А., Столяров. A.A. Инжекция тока в диэлектрик как метод оценки качества ЩП-структур. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1990. Вып.2. С.64-66.

28. Барышев В.Г., Парфенов О.Д., Сидоров Ю.А., Столяров A.A. Моделирование выхода годных схем по дефектности подза-творного диэлектрика. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 1992. № 2. С.57-58.

29. Андреев В.В., Барышев В.Г., Парфенов О.Д.,Сидоров Ю.А., Столяров A.A. Коррекция режимов термического отжига систем диэлектрик-полупроводник на базе информативных показателей качества диэлектрических слоев. Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1992. Вып.2. С.64-68.

30. Андреев- В.В.,Барышев В.Г., Сидоров Ю.А., Столяров А.А. Влияние концентрации фосфора в пленках Si02 на характеристики ВДП-систем. Технология и. конструирование в электронной аппаратуре. 1993. йып.З. С.56-59.

31. Andreev V.V., Baryshev V.G., Stolyarov A.A. Instability of the "parameters of dielectric layers under conditions of high-field injection stresses. J. Advanced Materials. 1995. №.2. P.451-457.

32. Andreev V.V., Baryshev V.G., , Stolyarov A. A. Instability of the dielectric layer parameters under high-field injection stress. Advanced materials and processes. Third Russian-Chinese Symposium. Moscow, A.A.Baikov Institute of Metallurgy RAS, 1995. P.106.

33. Andreev V.V., Baryshev V.G., Bondarenko G.G., Stolyarov A.A. Comparative stadies of high-fields tunnel injection and electron beams on dielectric films of MOS-structures. Book of abstracts second international conference MPSL'96. Sumy. 1996.

34. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Нестабильность параметров диэлектрических слоев в условиях высокопалевых инжекпионных. нагрузок. Перспективные материалы. 1996. №6. С.39-45.

35. Андреев В.В., Барышев В.Г., Вихров С.П., Столяров А.А. Исследование особенностей токопереноса по Фаулеру-Нордгейму в МДП-системах n-Si-Si02-ФСС-А1. Сб. тез. докл. II Матдународ. конф. по электромеханике и электротехналогии. К£ым. 1996. С. 88.

36. Андреев В.В., Барышев В.Г., Бондаренко Г.Г.,Столяров А.А. Метод постоянного тока для исследования зарядовой деградации ВДП-систем при воздействии радиации. Сб. тез. докл. VII Межнац. совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь 1996. С. 110.

37. Андреев В.В., Барышев В.Г., Вихров С.П., Столяров А.А. Моделирование зарядовой деградации МДП-ситем Si-Si02-ФСС-А1 в условиях высокополевой инжекции заряда постоянным током и постоянным напряжением. Сб. тез. докл. Межцународ. конф. "Физико-технические проблем электротехнических материалов и компонентов". М.: МЭИ. 1997. С. 144.

38. Андреев В.В., Барицген В.Г., Столяров А.А.. Исследование зарядовой деградации ВДП-систем при различных рекигдах высокополевой инжекции заряда. Сб.' тез. докл. 2 Всероссийской научно-техн. конф. "Электроника и информатика" М-: ШЗТ, 1991. С.131.

39. Andreev V.V., Baryshev V.G., Bondarenko G.G., S.tolyarov A.A. Hie influence of -iiigh-field charge injection conditions on charge degradation of ШЗ systems// Book of Abstract of the IV Sina-Russian Syrrposium "Advanced Materials and Processes" Beijin, China. Printing House of General Research Institute for Nonferraus Metals Beijin, 1997. P. 137.

40. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Инжекцион-ный метод исследования влияния технологических факторов на зарядовые характеристики МДП-систем. Сб. тез. докл. III Международ. конф. "Микроэлектроника и информатика". Зеленоград. 1997. С. 16.

41. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Метод постоянного тока в контроле ВДП-структур. Санкт-Петербургский журнал электроники. 1997. № 3. С. 69-72.

42. А. с. СССР № 767673 Устройство для неразрушаккего контроля и измерения напряжения ыикрспробоя в диэлектрике ЩЦ-структур. В.Г. Барышев, В.И. Воханкевич, А.А. Столяров, Л.Г. Цветков. 1980.

43. А. с. СССР № 1068848 Устройство дня измерения параметров ВДП-структур. В.Г. Барышев, А.А. Столяров, А.Н. Петров. 1984.

44. А. с. СССР № 1342252 Способ измерения напряжения микропробоя ВДП-структур. В.Г. Барышев, В.Е.Каменцев, А.А. Столяров. 1987.

45. А. с. СССР № 1409007 Устройство для измерения напряжения микропробоя ВДП-структур. В.Г. Барышев, В.Е. Кйьзэнцев,

A.А. Столяров. 1988.

46. А. с. СССР I? 1552260 Измерительный ртутный зонд.

B.Г. Барышев, А.А. Столяров, Ю.А. Сидоров. Б.И. 1990. № 11.

47. А. с. СССР № 1632189 Способ контроля полупроводниковых приборов с ВДП-структурой. В.Г. Барышев, А.А. Столяров, В.В. Андреев. 1990.

48. А. с. СССР № 1637603 Способ измерения напряжения микропробоя ВДП-структур. В.В. Андреев, В.Г. Барышев, Ю.А. Сидоров, А.А. Столяров. 1990.

49. А. с. СССР № 1637604 Способ измерения напряжения микропробоя ВДП-структур. В.В. Андреев, В.Г. Барышев, Ю.А. Сидоров, A.A. Столяров. 1990.

50. А. с. СССР № 1829787 Способ измерения напряжения микропробоя ЩП-структур. в.в. Андреев, в.г. Барышев, ю!а. Сидоров, A.A. Столяров. 1992.



Хс/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана Калужский. филиал

„.-!/ »¿Л правах рукописи

' V ■ ' '■ ■' ' ■ I

.......I'

' ! 4

Столяров Александр Алексеевич

ВЫСОКОПОЛЕВАЯ ТУННЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИЯ В СИСТЕМАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНЖ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИХ КОНТРОЛЯ

Специальность 01.04.07.- Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук

Научный консультант: д.ф-м.н., проф. Г.Г. Бондаренко

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................. б

Глава 1. Высокополевая туннельная инжекция в методах контроля дефектности и зарядовой стабильности МДП-систем.......................................... 14

1.1. Дефекты в системах металл-диэлектрик-полупроводник ....................................... 14

1.2. Методы исследования и контроля МДП-структур, использующие токополевые воздействия................ 19

1.3. Высокополевая туннельная инжекция в МДП-системах....................................... 27

1.4. Зарядовая нестабильность МДП-систем в условиях

высокополевой туннельной инжекции................... 32

Выводы.............................................. 41

Глава 2. Инжекционные методы исследования и контроля

МДП-систем в сильных электрических полях............ 43

2.1. Способы и устройства для измерения напряжения микропробоя МДП-систем.............................. 43

2.2. Определение положения центроида заряда, накопленного в диэлектрике, и оценка генерационных характеристик границы раздела и ОПЗ полупроводника

по измерениям напряжения микропробоя................ 61

2.3. Инжекционный метод исследования МДП-систем в режиме постоянного тока............................. 70

2.4. Совместное применение методов инжекции заряда в диэлектрик и ТСД для исследования и контроля характеристик центров захвата в диэлектрических

слоях МДП-систем.................................... 80

2.5. Экспериментальные установки для измерения электрофизических параметров МДП-систем в условиях высокополевой туннельной инжекции................... 86

Выводы.............................................. 94

Глава 3. Исследование процессов зарядовой нестабильности

ЩП-систем в условиях туннельной инжекции........... 96

3.1. Исследование накопления и растекания отрицательного заряда в системе Si-Si02-i€C-Al при инжекции электронов из кремния............................... 96

3.2. Зарядовая нестабильность системы Si-Si02-ФСС-А1

при инжекции электронов из А1-электрода............. 107

3.3. Исследование влияния толщины пленки ФСС на процессы зарядовой нестабильности в системе

Si-Si02 -ФСС-AI в условиях туннельной инжекции....... 112

3.4. Исследование зарядовой нестабильности систем Si-Si02 -AI, Si-Si02-ФСС-AI и Si-Si02-Si*, изготовленных в одном технологическом цикле......... 124

3.5. Исследование ЩП-систем в неравновесных

условиях при протекании токов туннельной инжекции.. . 131

3.6. Исследование дефектности изоляции и зарядовой стабильности МДП-систем в режиме постоянного тока

туннельной инжекции................................. 140

Выводы.............................................. 147

Глава 4. Моделирование зарядовой нестабильности МДП-систем в условиях высокополевой туннельной инжекции.......... 149

4.1. Модель зарядового состояния системы Si-Si02-AI

в условиях высокополевой туннельной инжекции....... 149

4.2. Модель зарядового состояния системы Si-Si02-ФСС-А1 при высокополевой туннельной инжекции...... 154

4.3. Моделирование зарядовой нестабильности системы Si-Si02-ФСС-AI при инжекции электронов из кремния... 160

4.4. Влияние режимов высокополевой инжекции

на зарядовую деградацию МДП-систем.............. 170

4.5. Модели зарядовой нестабильности МДП-систем в условиях неравномерного распределения тока туннельной инжекции................................ 179

4.6. Исследование процессов накопления зарядов в диэлектрике дефектных областей МДП-систем

Si-Si02 -AI.......................................... 184

4.7. Моделирование зарядовой нестабильности МДП-систем Si-Si02-ФСС-AI в условиях неравномерного

протекания туннельного тока.......................... 192

Выводы............................................... 202

Глава V. Применение инжекиионных методов контроля в

производстве МЩП-ВИС................................. 204

5.1. Контроль дефектности подзатворного диэлектрика в производстве МДП-БИС методом измерения напряжения микропробоя......................................... 204

5.2.Сравнительная оценка методов контроля дефектности диэлектрических пленок.............................. 213

5.3. Применение зондов с жидким электродом при исследовании и контроле МДП-структур................ 218

5.4. Применение импульсных инжекционных воздействий для контроля структур с плавающим затвором и контроль качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика по напряжению инверсии.... 228

5.5. Моделирование выхода годных микросхем по дефектности подзатворного диэлектрика............... 241

5.6. Исследование влияния технологических операций

на дефектность подзатворного диэлектрика............ 248

5.7. Совершенствование технологического процесса получения подзатворного диэлектрика на основе исследований дефектности изоляции и зарядовой стабильности........................................ 256

Выводы Заключение Литература

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение степени интеграции изделий микроэлектроники обусловливает необходимость повышения их надежности, что неразрывно связано с совершенствованием методов производственного контроля интегральных схем (ИС). Достигнутый уровеь развития технологии, высокая интеграция и надежность ИС и БИС на основе кремния указывают на то, что в качестве основного материала для изготовления интегральных схем на ближайшие 10-15 лет останется кремний. Основными базовыми элементами ИС и БИС будут являться системы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с диэлектрическими слоями на основе термической двуокиси кремния. Увеличение степени интеграции микросхем обеспечивается уменьшением длин каналов и толщин подзатворного диэлектрика транзисторов в МДП-технологии. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-системах, связанных с влиянием сильных электрических полей. Воздействие инжекции носитетелей в диэлектрик МДП-систем в таких полях приводит к изменению зарядового состояния диэлектрика, повышению плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, к активизации дегра-дационных процессов в электрически активных дефектах.

Важное научное и большое практическое значение имеет исследование воздействия высокополевой туннельной инжекции на характеристики зарядов в МДП-системе с двухслойным диэлектриком Si02-0CC (фосфорно-силикатное стекло). Подзатворный диэлектрик Si02 -ФСС используется во многих серийно выпускаемых полевых приборах для стабилизации их электрических характеристик. Образование пленок ФСС происходит также в системах Si-Si 02 -Si* (поликристаллический кремний, легированный фосфором), являющихся основой современных БИС. Несмотря на обилие работ, посвященных экспериментальным исследованиям зарядовой неста-

бильности и определению механизмов накопления зарядов в системах 31-3102 и Зл.-3:102-ФСС, до настоящего времени не была разработана физико-математическая модель зарядового состояния системы 31-3±02-ФСС, учитывающая основные механизмы захвата носителей в двуокиси кремния и ФСС, положения центроидов зарядов, напряженности локальных электрических полей.

В связи с широким распространением ¡УЩП-технологии важнейшей задачей является выявление потенциально ненадежных схем. Известны и широко применяются в производстве МДП-ИС методики отбраковки потенциально ненадежных схем, основанные на термо-электротренировках микросхем в рабочих и форсированных режимах. Однако процесс выявления дефектных схем такими методами длителен, энергоемок, применим только для готовых изделий и не может быть использован на ранних стадиях технологического процесса. Известны также методы контроля дефектности подзатворно-го диэлектрика, такие как электрографический, электрохимический, электролитический, электрофорезный и др., к общим недостаткам которых следует отнести отсутствие количественной оценки дефектности и возможности полной автоматизации, большую длительность контрольно-измерительных операций. Поэтому была поставлена задача разработать электрофизические методы ускоренного выявления потенциально ненадежных схем, удовлетворяющих требованиям производства ЩП-ЕИС.

Особое место в исследовании дефектности и зарядовой нестабильности МДП-систем принадлежит методам, использующим инжек-цию носителей в диэлектрик в силу их чувствительности именно к электрически активным дефектам. Данные методы обладают высокой достоверностью, экспрессностью и могут быть применены в автоматизированных системах операционного технологического контроля в производстве МДП-БИС. Однако развитию методов, использующих инжекционные воздействия, мешает, с одной стороны, недостаточная изученность влияния туннельной инжекции на электрофи-

зические характеристики МДП-систем, что не позволяет определить допустимые границы воздействий и провести обоснованный выбор режимов измерения. С другой стороны, недостаточно развиты инжекционные методы исследований и контроля, что ставит задачу дальнейшего их развития с учетом требований производства интегральных схем, важнейшими из которых являются: сокращение времени проведения контрольно-измерительных операций, уменьшение степени влияния на характеристики контролируемых структур, точная дозировка инжекционных воздействий, повышение информативности, снижение трудоемкости, возможность реализации в автоматизированных системах операционного контроля. Серьезной проблемой остается и отсутствие аппаратных средств для реализации инжекционных методов исследования и контроля МДП-систем.

Цель работы. Установление на основе экспериментальных и теоретических исследований закономерностей влияния сильных электрических полей и высокополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик на электрофизические характеристики МДП-систем и разработка - методов и автоматизированных средств производственного контроля дефектности и зарядовой нестабильности диэлектрических слоев в производстве МДП-ИС и БИС.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:

1. Экспериментальные исследования воздействия высокополевой туннельной инжекции на системы Зл--ЗЮ2-А1 и Зл--Зл.02-ФСС-А1, процессов зарядовой нестабильности и дефектности.

2. Моделирование процессов зарядовой нестабильности МДП-систем при высокополевой туннельной инжекции, в условиях равномерного и неравномерного протекания туннельного тока.

3. Разработка на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований новых методов исследования и контроля дефектности и зарядовой нестабильности МДП-систем.

4. Разработка автоматизированных средств операционного контроля и апробирование в промышленности разработанных методов контроля, направленных на снижение дефектности и повышение зарядовой стабильности, и рекомендаций по их применению.

Научная новизна. На основании выполненных исследований разработано теоретическое описание процессов зарядовой нестабильности в ЩП-структурах на основе системы 51-5Ю2 -ФСС в условиях высокополевой туннельной инжекции. Впервые поставлена и решена на основе единого подхода к изучению явлений дефектности и зарядовой нестабильности проблема контроля инжекционной стоикости МДП-систем в производстве МДП-БИС. При этом получены следующие новые результаты.

1. На основе экспериментальных исследований воздействия высокополевой туннельной инжекции на систему 51-5102-ФСС-А1 определены характеристики центров захвата электронов в ФСС и их зависимости от концентрации фосфора и толщины пленки фос-форно-силикатного стекла.

2. Установлено, что изменение кинетики сдвига вольт-амперной характеристики в МДП-системах 51-5Ю2-ФСС-А1 с ростом напряженности электрического поля в условиях туннельной инжекции из кремния связано с накоплением положительного заряда в двуокиси кремния.

3. Впервые обнаружено, что в МДП-системе 51-5Ю2-ФСС-А1 в слоях ФСС наблюдается существенное ослабление генерации дырок, ответственных за накопление положительного заряда в пленке двуокиси кремния при высокополевой туннельной инжекции из кремния.

4. Предложены модели зарядовой нестабильности МДП-систем Эл.—Б Ю2 —ФСС-А1 на начальном этапе высокополевой туннельной ин-жекции из кремния в условиях равномерного и неравномерного протекания тока.

5. На основе численного моделирования впервые исследованы процессы зарядовой нестабильности в областях дефектов и определены токовые нагрузки, плотности инжектированных в диэлектрик зарядов и их зависимости от параметров дефектных областей в условиях неравномерного распределения плотности туннельного тока на начальном этапе инжекции.

6. Разработан инжекционный метод определения параметров ЩП-структур, основанный на анализе временной зависимости напряжения на ВДП-структуре при подаче на нее импульса постоянного тока.

7. Предложен новый способ исследования зарядовой нестабильности МДП-систем, основанный на измерении токов термости-мулированной деполяризации (ТСД), в котором поляризация образца осуществляется в условиях высокополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик.

Практическая ценность работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов зарядовой нестабильности и дефектности МДП-систем лежат в основе разработки методов измерения параметров, устройств и автоматизированных систем котроля качества технологического процесса в производстве МДП-ИС и БИС:

- четыре новых способа измерения напряжения микропробоя, повышающие производительность контроля дефектности диэлектрических слоев;

- три новых схемы построения устройств для измерения напряжения микропробоя, позволяющие уменьшить время снятия испытательного напряжения и уменьшить время измерения напряжения микропробоя;

- новая конструкция зонда с жидким электродом, предназначенного для контактирования при реализации инжекционных методов контроля качества диэлектрических слоев на пластинах без металлизации в разработанных специальных тестовых модулях;

- метод контроля качества технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика по измерениям напряжения инверсии после проведения технологических операций, способ и устройство для измерения напряжения инверсии МДП-структур;

- метод оценки дефектности подзатворного диэлектрика и области пространственного заряда (ОПЗ) ЩП-структур по напряжению неравновесного микропробоя;

- приборы и автоматизированные установки контроля и измерения параметров ЩП-систем и полевых приборов в условиях туннельной инжекции: измерители напряжения микропробоя ИМП-2М, ИМП-ЗТ, измеритель напряжения инверсии ЦШИ; установка контроля напряжения микропробоя УКНМП-2М; автоматизированная установка для проведения инжекционных испытаний в режиме постоянного тока УСИН.

Новизна предложенных технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.

Применение разработанных новых способов, устройств и автоматизированных средств контроля дефектности позволило впервые установить корреляцию между результатами контроля дефектности подзатворного диэлектрика по измерениям напряжения микропробоя и выходом годных микросхем. Разработана модель, позволяющая прогнозировать выход годных схем на ранних стадиях технологического процесса.

Инжекционный метод котроля дефектности изоляции и зарядовой стабильности применяется в качестве аттестационного на АО "Восход" г.Калуга.

Подзатворный диэлектрик с улучшенными характеристиками дефектности изоляции и зарядовой стабильности применяется в вы-

соковольтном слаботочном стабилизаторе тока на основе ДМДП-транзистора (МС-СТ1 ТВО 205.002-16ТУ) и низковольтном слаботочном стабилизаторе на основе ЩП-транзистора (МС-СН1 ТВО 205.002-15ТУ)и других ЩЦП-ИС, серийно выпускаемых АО "Восход"' г. Калуга.

Разработанные метод контроля и автоматизированная установка контроля напряжения микропробоя УКНМП-2М (АБ 3.381.002-ПС) рекомендованы ОСТ 1120.9903-86 "Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые, системы и методы операционного контроля в процессе производства, технические требования к технологическому процессу при аттестации производства" (метод 3.36) для контроля изолирующих свойств диэлектрических слоев и находятся в производственной эксплуатации на АО "Восход" г.Калуга и НИИМП г. Зеленоград.

Полученные в работе результаты используются в курсе "Электроника и микроэлектроника", читаемом автором в КФ МГТУ. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

- Установленные на основе экспериментальных исследований закономерности воздействия высокополевой туннельной инжекции на систему 51-3 Ю2 -ФСС-А1.

- Модели зарядового состояния системы 31-3102-ФСС-А1 на начальном этапе