Введение к работе
Актуалм(?<п> тсчы.
Субмикронная технология становится повседневной реальностью в производстве интегральных схем. Вследствие освоенности кремниевой технологаи, еысохого уровня интеграции и надежности ИС, кремний на ближайшее десятилетие сохранит лидирующую роль в качестве основного материала для изготовления СБИС и УБИС. Осноеньш базовым элементом СБИС останутся МДП структуры на основе кремния. Постоянные требования к увеличению степени интеграции СБИС обеспечиваются уменьшением длин каналов и толщин подзатворного диэлектрика в субмикронной МДП-транзисторной технологии. Поэтому становятся сущсствстгьгмм процессы, связанные с влиянием сильных электрических полей в диэлектрике. Икжекция носителей в диэлектрик в таких полях приводит к генерации дефектов и долговременной эволюции дефектно-примесных комплексов (ДПК) в активных областях МДП структур. Исследование дефектов в тонкопленочных системах диэлектрик-полупроводник (ДП) представляет необходимую и актуальную задачу. Причиной отказов полупроводниковых систем могут быть скрытые технологические дефекты, представляющие собой, например, слабо связанные ДПК с участием атомов водорода. Эволюция ДПК под действием внешних активационных факторов (радиационное воздействие, повышенная температуря, электрические и магнитные поля) изменяет их электрическую активность, что приводит к деградации МДП приборов.
Различные по составу слои аморфных диэлектриков на основе кремния, используемые в МДП приборах могут значительно отличаться по своим свойствам (зонная структура, подвижность и эффективная масса носителей, спектр локализованных состояний). Тек например в сильных электрических полях захват электронов в аморфном нитриде кремния Si3N4 (НК) существенно больше чем в аморфном Si02 (ниже - окисел). Это свойство НК используется в МНОП (металл-НК-окисел-полупроволннк (Si) ) элементах памяти (ЭП). В настоящее время такие многослойные диэлектрические тонкие пленки окисел-НК-окнсел (суммарная толщина менее 5 нм) находят также применение при изготовлении конденсатора хранения СБИС динамических оперативных запоминающих устройств.
Разработка запоминающих устройств (ЗУ) большой емкости на основе МДП-структур - одно из важнейших направлений микроэлектроники. В этой связи ведутся интенсивные исследования электронных процессов в аморфных диэлектриках на основе кремния для создания энергонезависимых электрически репрограммируемых запоминающих устройств (ЭРПЗУ). В качестве ЭП в них используются МНОП или ПНОП - (полевой электрод выполнен из поликремния) структуры.
Запись информации в таких ЭП соответсвует захвату заряда в пленке НК, который может сохраняться в течение длительного периода времени (порядка года) после отключения напряжения. При приложении напряжения записи электроны инжектируются через окисел в пленку НК и захватываются на локализованные состояния (ЛС) различного типа, где они могут храниться более года.
Весьма перспективным являются ЭП на основе МОНОП структур, в которых дополнительный диэлектрический слой (окисел кремния) препятствует инжекиии 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.
К началу настоящей работы (197S год) систематического исследования накопления и хранения информационого заряда в МДП-элементах памяти, а также процессов деградации таких элеменов памяти проведено не было. Адекватная теоретическая концепция, описывающая их функционирование не была разработана. В проведенных исследованиях в основном изучались нестационарные электронные процессы в приповерхностной области полупроводника и стационарные неравновесные процессы в аморфных диэлектриках на основе кремния. Разработка МДП ЭП с аморфными диэлектриками и успешное их использование в электрически репрограммируемых ПЗУ большой емкости стимулировала проведение систематических исследований нестационарных электронных процессов в аморфных диэлектриках на основе кремния.
Значительный научный интерес к электронным процессам а НК стимулируется также необходимостью создания МНОП ЭП с большим числом никлое переключения. Ограничение числа циклов переключения (<105 ) обусловлено деградационными процессами в МНОП структуре, которые
характерны для всех МДП структур с аморфными диэлектриками н ведут к потере работоспособности МДП приборов.
Влияние возбуждения электронной подсистемы диэлектрика на параметры МДП структур изучалось во многих работах, однако лишь в последние годы появились предпосылки создания более детальных представлений о спектре локализованных состояний (Л С) и его долговременных изменениях в аморфных диэлектриках при различных внешних воздействиях. Эффективным инструментом исследования может служить моделирование транспорта носителей и накопления заряда з диэлектриках МДП структур. В известных моделях накопления электронов в НК не учитывалось фундаментальное свойство аморфных диэлектриков - наличие "хвостов" плотности состояний, а представления о ЛС носили дискуссионный характер. Поэтому достоверное определение параметров центров захвата в НК было невозможно. Создание адекватных теоретических представлений о спектре ЛС в НК, определяющем характеристики накопления заряда в МНОП и МОНОП структурах, а также программных средств для проведенния численного эксперимента при проектировании ЭП представляется весьма актуальным. Таким образом, имелась настоятельная необходимость создания теории транспорта носителей и накопления заряда в аморфных диэлектриках при различных видах спектров локализованных состояний и условиях инжекции, соответствующих условиям ннжекции в МДП элементах памяти. Следующая задача состояла в исследовании долговременной релаксации захваченного в диэлектрике заряда.
Важный аспект исследования электронных процессов в МДП структурах связан с деградационными процессами. Внешние актнвационные факторы (радиационные воздействия, повышенная температура, магнитные поля) также приводят к реакциям дефектов в структуре, долговремсному изменению
СОСТОЯНИЙ ДПК (В ТОМ ЧИСЛе ЭЛеКТрИЧеСКОЙ аКТНВНОСТИ), ЧТО И обуславливает
деградацию МДП структур. Поэтому исследование влияния дефектов на параметры и надежность МДП структур представляет актуальную и необходимую задачу. На стабильность параметров МДП структур значительно влияют протяженные дефекты (микродефекты) вблизи ДП границы. В этой связи весьма актуальным является изучение влияния микродефектов на параметры потенциально-ненадежных МДП структур, а также разработка нопых оперативных методов регистрации микрар-фектов. Методики исследования влияния протяженных дефектов у межфазной гранига кремиин-днэлск: - ик на
дсградационные процессы в МДП структурах в сильных электрических полях ке были разработаны. Поэтому адекватные- представления о проводимости дефектных МДП структур, характеризующихся большими токами утечки через диэлектрик не были сформулированы.
Важную роль в развитии представлений о механизмах долтоврехіснішх нестационарных процессов в МДП структурах сыграл обнаруженный автором совместно с С.Н.Постниковым эффект - возникновение магнитоиндуцировашгой диффузионной неустойчивости в многокомпонентных твердотельных системах. Было экспериментально установлено, что воздействие слабым магнитным полем (МП) приводит к долговременному изменению реальной структуры термодинамически неравновесных полупроводниковых систем.Разработка механизма долговременных магнитоиндуцированных диффузионных процессов в приповерхностной области кремния МДП структуры стала актуальной задачей б проблеме создания надежных микроэлектронных приборов. Анализ механизма влияния МП представляется весьма перспективным для развития представлений о механизмах деградационных процессов и естественого старения МДП структур ввиду слабости энергетического воздействия МП.
Цель работы установление фундаментальных закономерностей
долговременных нестационарных электрических процессов в аморфных диэлектриках МДП структур в сильных полях - накопления, хранения и деградации МДП структур с учетом пространственной неоднородности параметров диэлектрика, протяженных дефектов у межфазной границы, а также воздействий сильных электрических , магнитных полей на эти процессы.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие
конкретные задачи диссертационной работы: і
1. Создание теории транспорта и накопления электронов в НК при сильных
полях, учитывающей захват электронов глубокими кулоновскими центрами и
ловушками хвоста плотности состояний, разработка методов определение
параметров центров захвата и характера их заполнения и установление
параметров, определяющих накопление и хранение заряда в МНОП структурах.
2. Изучение закономерностей деградации МНОП структур в сильных
электрических полях и их обьяснение.
3. Разработка методов регистрации протяженных дефектов в МДП структурах
и изучение влияния этих дефектов на проводимость и деградацию МДП
структур. Разработка теории проводимости дефектных МДП структур с большими токами утечки.
3. Исследование влияния МП на параметры, определяющие транспорт носителей в аморфном диэлектрике МДП структур.
Научная новюнаї
-
Разработана теория, описывающая накопление заряда в МДП элементах памяти во всем временном диапазоне, учитывающая влияние хвостов плотности состояний на долговреметше электронные переходные процессы в этих элементах. Результаты численного моделирования накопления заряда в МОНОП структурах впервые позволили установить характер влияния локализованных состояний в НК на переходные процессы и на основе сопоставления с экспериментальными характеристиками определить параметры спектра этих состояний.
-
Разработан метод определения пространственного распределения захваченного заряда по толщине диэлектрика, использующий регистрацию кинетики стекания захваченного заряда.
-
Установлено, что деградация МНОП структур определяется плотностью протекшего через диэлектрик заряда дырок и связана с уменьшением концентрации ЦЗ электронов. Установлено, что увеличение концентрации избыточных атомов кремния и кислорода, участвующих в формировании ЦЗ обеспечивают меньшую скорость стекания заряда и большую зарядовую стабильность НК.
4- Разработан новый метод определения параметров центров захвата электронов в диэлектрике при инжекции носителей из полевого электрода. На основе его использования впервые показано, что коэффициент захвата электронов на ЦЗ в НК y~vlfV\
-
Предложен новый метод регистрации микродефектор у межфазной границы, использующий гистограммы зарядовой стабильности (ЗС). Исполь я этот метод показано, что ЗС потенциально - дефектных структур определяется площадью дефектной области межфазной границы ДП.
-
Установлено, что проводимость МДП структур со степенной ВАХ обусловлена транспортом электронов по поверхности сквозной микротрещины в диэлектрике.
-
Обнаружены магнитоиндуцированные долговременные изменения электрофизических параметров МДП структур на основе кремния.
-
Обнаружено ускоряющее воздействие электрического поля на магнитоиндуцированные изменения электрофизических параметров МДП структур.
-
Разработана теория распада ДПК в полупроводниковых соединениях, основанная на контактном сверхтонком взаимодействии ядерной спиновой системы с электронной спиновой системой дефектов в составе ДПК.
Практическая ценность работы:
-
Создан программный комплекс для численного моделирования характеристик накопления заряда в МОНОП структурах, уточнены значения параметров локализованных состояний в нитриде кремния.
-
Разработаны способы определения параметров центров захвата и пространственного распределения заряда в диэлектрике, использующие регистрацию характеристик накопления заряда и его отекания после отключения напряжения на структуре.
-
Предложен способ изготовления МДП ЭП с большим числом циклов переключения
-
Разработан способ регистрации микродефектов в активной области МДП структуры, использующий гистограммы зарядовой стабильности МДП структур.
-
Разработан новый метод эффективного выявления потенциально-ненадежных МДП структур, использующий воздействие ИМП.
Па защиту наносятся:
1.Теория накопления и стекания заряда в МДП структурах с аморфными диэлектриками, результаты математического моделирования этих процессов в МОНОП элементах памяти, проведенного с учетом хвостов плотности состояний.
2.Установление основных закономерностей деградационных процессов в МНОП структурах при протекании тока и их теоретическое объяснение.
З.Новыс способы регистрации протяженных дефектов в МДП структурах, использующие гистограммы зарядовой стабильности.
4.Теория проводимости МДП структур со сквозной микротрещнной в диэлектрике, в которой используются представления о хвостах плотности состояний в неупорядоченных двумерных системах и минимальной металлической проводимости.
5.0бнаружение магнитоиндуцированных изменений электрофизических
параметров термодинамически неравновесных МДП структур на основе кремния, ускоряющего влияния электрического поля на темп этих изменений и их объяснение.
Ляробацим работы
Результаты работы докладывались на Н-ом координационном совещании по проблемам полупроводниковой памяти (Москва 1976); VI-ом Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках"(Киев 1977); П-ой научно-технической конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (Киев 1978); 7-ом Симпозиуме по электронным процессам на поверхности полупроводников на границе раздела полупроводник-диэлектрик (Новосибирск 1980); Конференции "Физические проблемы МДІ1-интеграяьной электроники" (Севастополь 1983); Научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" (Москва 1988); Второй всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов* (Кишинев 1986); Семинаре по проблеме "Примеси, дефекты и деградационные явлення в полупроводниковых материалах и приборах" (Ленинград 1988); Vl-oft Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (1988); Втором всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса 1986); VI-ой Всесоюзной школе-семинаре по физике поверхности полупроводников (Одесса 1987);ГХ-ом Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в токих слоях полупроводников" (Новосибирск 1988); .ретьем всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса 1988); V-ой Отраслевой научно -технической конференции "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" (Черновцы 1989); Совещании-семинаре "Аморфные полупроводники и
диэлектрики на основе кремния в электронике" (Одесса 1989); XV и XVI Научно-техническом семинаре Северо- -Западного региона "Физические и химические явления на поверхности полупроводников и границах раздела фаз, управляющие качеством слоистых систем в интегральной электронике" (Новгород 1990, Таллин 1991); Всесоюзном постоянном научно-техническом семинаре "Низкотемпературные технологические процессы в электронике" (Ижевск 1990); Школе-семинаре "Состояние и направления развития запоминающих устройств для перспективных ЭВМ" (Симферополь 1989); V-ой Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Саратов 1990); Всесоюзной научно-технической школе "Проблемы памяти ЭВМ" (Уфа 1990); IV-ом Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Ярославль 1990); Ш-ей Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск 1990); VI-ой Республиканской конференции "Физические проблемы МДП- -интегральной электроники (Севастополь 1990); Международном семинаре "Моделирование приборов и технологий в микроэлектронике" (Новосибирск 1990); Ш-ей Всесоюзной научно"! конференции "Физика окисньгх пленок" (Петрозаводск 1991); Третьем всесоюзном совещании "Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов" (Москва 1991); Ш-ей Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев 1991); Vl-ой Всесоюзной конференции "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" (Кишинев 1991); Всесоюзной научно-технической школе "Устройства и системы хранения информации" (Алушта 1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологические проблемы микроэлектроники" (Менделеево 1991); Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Нижний Новгород- Астрахань 1992); 11 международном семинаре по моделированию приборов и технологий в микроэлектронике, (Новосибирск 1992 г.); 1-ой Российской конференции по фишке полупроводников (Нижний Новгород 1993); ежегодном научно-тсхническом семинаре "Шумовые и деградациоиные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва 1993, 1994 и 1995 гг); Международной конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах (Санкт-Петербург 1994); lV-ой Всероссийской научно- -технической конференции
"Физика окисных пленок" (Петрозаводск 1994); Всероссийской " научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог 1994); III международном семинаре по моделированию приборов и технологий (Обнинск 1994); Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза 1995); Всероссийской научно-техническая конференции "Электроника и информатика -95"(Москва 1995); международных конференциях Materials research society (MRS) spring meeting (San Francisco 1992-1995) & fall meeting ( Boston 1992-1994); II и III международных семинарах "Dielectric and related phenomena"(Po!aiid, Zacopane 1992 и 1994); 38th Annual conference on magnetizm and magnetic materials (Minneapolis, Minnesota, 1993); European-MRS spring meetings (Strasburg 1994, 1995); International conference on Solid State Devices and Materials (SSDM) (Osaka 1995); Intermag 95 (San Antonio, Texas USA 1995);
Публикации; По материалам диссертации опубликовано 84 печатных работ в том числе Ч авторских свидетельства СССР и два патента РФ. Структура и объем диссертации:
диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и
приложения. Общий объем работы 2НУ страниц машинописного текста,
включаяіГрисунков. Список литературы содержит наименование.
