Диссертация (Зарядовые явления в диэлектрических пленках МДП-структур и элементов энергонезависимой памяти при сильнополевой инжекции электронов), страница 10

Для реализации этойзадачи необходима разработка специальных наноразмерных диэлектрическихпленок, реализующих новые способы модификации их характеристик. Новыедиэлектрические пленки должны позволять изменять свое зарядовое состояниев широком диапазоне и сохранять эти изменения стабильными длительноевремя в процессе эксплуатации [3, 15, 69]. Как было показано [23, 77‒80], вкачестве таких диэлектрических пленок можно, например, использоватьмногослойный диэлектрик на основе термической двуокиси кремния,пассивированной слоем фосфорно-силикатного стекла (ФСС).

Пленка ФССтолщиной от 1 нм в таких структурах обычно формируется путем легированиятермической пленки SiO2 фосфором [77, 79]. Основной проблемой при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основеМДП-структур, позволяющих управлять параметрами приборов путем инжекционной и радиационной модификации после их изготовления, является создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват носителей заряда на ловушки и обладающей высокой инжекционной и радиационной стойкостью, а также низкой зарядовой дефектностью [77‒81]. В работах [82, 83] была показана идентичность большин-61ства процессов деградации МДП-структур, протекающих при воздействииионизирующей радиации и при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик. Замена радиационных обработок сильнополевой инжекцией существенноупрощает процесс испытаний, а также позволяет получить большой объем дополнительной информации за счет контроля изменения зарядового состоянияподзатворного диэлектрика в процессе сильнополевого воздействия.В данном параграфе предложены методы модификации электрофизических характеристик МДП-структур путём сильнополевой туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик и радиационной обработки кристаллов.Для инжекционной модификации электрофизических характеристикМДП-структур использовалась сильнополевая туннельная инжекция электронов из кремниевой подложки [23, 78] в режиме протекания постоянного инжекционного тока плотностью от 0,1 мкА/см2 до 10 мА/см2 в диапазоне температур от 20 до 100 С.

В процессе инжекции осуществлялся контроль напряжения на МДП-структуре, что позволило получить информацию об изменениизарядового состояния диэлектрической пленки непосредственно в процессемодификации. Для определения величины термостабильной компонентынакопленного в диэлектрике отрицательного заряда, после инжекционных ирадиационных обработок МДП-структуры подвергались отжигу при температуре 200 ºС в течение времени от 200 с до 30 мин.Изменение зарядового состояния МДП-структур контролировалось с использованием высокочастотного C-V метода и метода многоуровневой токовойнагрузки [65]. В течение сильнополевой инжекции, в режиме протекания постоянного тока измерялось приращение напряжения на МДП-структуре VI ,характеризующее изменение зарядового состояния исследуемого образца[65, 78].Для изучения влияния воздействия электронного облучения на характеристики МДП-структур использовался растровый электронный микроскопEVO 40 фирмы Zeiss.

С его помощью было проведено облучение МДП-62структур электронами c энергией от 15 до 20 кэВ и током пучка I  8 нА сфлюенсом до 2,5  1014 см–2.В ранее проведенных исследованиях [23, 77, 78] было показано, что отрицательный заряд, накапливающийся в подзатворном диэлектрике с плёнкойSiO2, легированной фосфором, в процессе туннельной инжекции электронов всильных электрических полях, может использоваться для коррекции порогового напряжения МДП-приборов с такой структурой.

На основе измерения токовтермостимулированной деполяризации и исследования изотермической релаксации C-V характеристик при нескольких фиксированных температурах установлено, что накапливаемый при сильнополевой туннельной инжекции электронов в МДП-структурах с подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС отрицательный заряд состоит из двух компонент. Первая компонента обладает низкойтермополевой стабильностью и практически полностью стекает при отжиге200 С.

Вторая ‒ термостабильная компонента заряда ‒ начинает релаксировать лишь при температурах более 230 С. Таким образом, для получения приборов с высокой термополевой стабильностью после модификации зарядовогосостояния инжекцией электронов их необходимо отжигать при температурахоколо 200 С.Было проведено сравнительное исследование модификации зарядовогосостояния МДП-структур путем сильнополевой туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик и облучения структур электронами. Использовалось облучение электронами с энергией от 15 до 20 кэВ, что гарантировано обеспечивало длину их пробега большую, чем толщина затвора.

Установлено, что при облучении МДП-структур с пленкой SiO2-ФСС электронами сэнергией, обеспечивающей их прохождение через затвор и диэлектрическуюпленку, наблюдаются существенное увеличение плотности поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2 и накопление в объеме подзатворного диэлектрика в пленке ФСС отрицательного заряда.63Другим направлением применения сильнополевой туннельной инжекциидля модификации диэлектрических пленок МДП-структур является проведениеинжекционно-термической обработки (ИТО), позволяющей повышать надежность МДП-приборов и выявлять образцы, содержащие зарядовые дефекты.Инжекционно-термическая обработка МДП-структур заключается в сильнополевой инжекции в диэлектрик заданной плотности заряда электронов и последующем высокотемпературном (200 ºС) отжиге образцов.

ИТО предназначенадля замены радиационно-термической обработки, широко используемой внастоящее время для повышения надежности МДП-приборов [84, 85]. ИТОможно использовать для модификации МДП-структур с различными диэлектрическими слоями, в которых при сильнополевой инжекции электроновнаблюдается изменение зарядового состояния, которое в последствии полностью или частично устраняется термическим отжигом.На Рис. 2.5 показаны временные зависимости токовой нагрузки и напряжения на МДП-структуре в режиме модификации зарядового состояния МДПструктур на основе двухслойного диэлектрика SiO2-ФСС (a, b) и инжекционнотермической обработки (c, d).

Участок I на Рис. 2.5 соответствует заряду емкости МДП-структуры постоянным измерительным током I m . На этом участкевесь ток, протекающий через диэлектрик, является емкостным. На участках II иIV заряд инжектируется в диэлектрик постоянным током I m . Для модификациииспользуется инжекция заряда стрессовым током I s на участке III. Амплитудатока I m должна быть много меньше амплитуды тока I s для того, чтобы корректно контролировать изменение зарядового состояния МДП-структур послеих модификации (участок IV) [3]. Контроль величины заряда, инжектированного в диэлектрик до пробоя, как правило, проводился при амплитуде токовогоимпульса I s .64Рис. 2.5.Временные зависимости токовой нагрузки (а,c) и изменениянапряжения на МДП-структуре (b,d) при модификации зарядовогосостояния МДП-структур (a,b) и инжекционной обработкиМДП-структур (c,d)2.4.

Экспериментальные установки, применяемые для исследования и модификации тонких диэлектрических пленок МДП-структур2.4.1. Устройство создания сильнополевых инжекционных режимов,реализующее метод стрессовых и измерительных уровней тока, а такжеметод сильнополевой инжекционной модификацииДля оценки изменения зарядового состояния МДП-структур использовались высокочастотный C-V метод и метод управляемой токовой нагрузки. Метод управляемой токовой нагрузки заключается в приложении к исследуемому65образцу импульса тока специальной формы, который обеспечивает заряд ёмкости МДП-структуры и вызывает последующую сильнополевую туннельнуюинжекцию электронов в диэлектрик в режиме постоянного тока.

Во время модификации процесс инжекции прерывался с целью измерения вольт-фарадныххарактеристик или порогового напряжения для контроля изменения зарядовогосостояния исследуемой МДП-структуры.При сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик МДП-структурSi-SiO2-ФСС-Al в режиме постоянного напряжения наблюдается меньшая полевая зависимость изменения пороговых напряжений, чем в режиме постоянноготока.Следовательно,режимпостоянноготокадляструктурSi-SiO2-ФСС-Al является более жестким по сравнению с режимом постоянногонапряжения, однако использование этого режима позволяет в несколько разуменьшить время проведения инжекционной модификации.При постоянном токе электрическое поле на инжектирующей границераздела полупроводник-диэлектрик остается постоянным и инжектированныйзаряд будет пропорционален времени.

Тогда как при использовании метода постоянного напряжения электрическое поле на инжектирующей границе разделауменьшается по мере накопления инжекционно стимулированного заряда электронов, что приводит к уменьшению тока инжекции, а, следовательно, и к значительному увеличению времени инжекции требуемого заряда.С другой стороны, для МДП-приборов с малой площадью затвора, какимиявляются МДП-транзисторы, реализация метода постоянного тока вызываетбольшие затруднения, так как требуется подавать на образцы ток 1012  1014 Апри напряжениях 70 ÷ 80 В.

Реализовать подачу таких токов технически достаточно сложно, особенно в производственных условиях. Поэтому в данныхисследованиях инжекция заряда в диэлектрик проводилась методом постоянного напряжения.Для проведения данных исследований была разработана специальная экспериментальная установка создания сильнополевых инжекционных режимах вподзатворных диэлектриках МДП-приборов, которая позволяет реализовывать66как режим постоянного напряжения, так и режим постоянного тока независимодруг от друга. Структурная схема установки показана на Рис. 2.6.Рис. 2.6.Структурная схема установки созданиясильнополевых инжекционных режимовУстройство состоит из следующих основных узлов:блок питания;блок управления;управляемый высоковольтный источник нагрузки;исследуемая МДП-структура;IBM PC.Установка работает как под управлением компьютера, так и в автоматическом режиме.Основным элементом блока управления является микроконтроллер, программа которого обеспечивает заданный алгоритм работы прибора.