Диссертация (1025135), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Пленку ФСС толщиной3  22 нм формировали диффузией фосфора из газовой фазы, используя в качестве диффузанта пары POCl3 и PCl3, при температуре 900 С. С целью получения экспериментальных образцов с различной толщиной ФСС варьировалосьвремя загонки фосфора в пределах от 1,5 до 7 минут. После чего в течении 15минут пластины отжигались в атмосфере азота при температуре 1000 С.

В ка-81честве верхнего электрода (затвора) использовались плёнки поликремния (Si*),легированные фосфором, площадью 104  102 см2.Инжекционная модификация МДП-структур проводилась с использованием сильнополевой туннельной по Фаулеру-Нордгейму инжекция электронов изкремниевой подложки [15, 65, 86] в режиме протекания постоянного инжекционного тока плотностью от 0,1 мкА/см2 до 10 мА/см2. Контроль изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика проводился непосредственно впроцессе модификации по изменению напряжения на МДП-структуре VI[22, 65, 77]. После инжекционной модификации МДП-структуры подвергалиотжигу при температурах 150 ÷ 250 ºС в течение времени от 200 с до 30 мин,что позволяло сформировать термостабильную компоненту накопленного в диэлектрике отрицательного заряда.

Изменение зарядового состояния модифицируемых МДП-структур контролировалось также с использованием C-V методаи метода стрессовых и измерительных уровней тока (параграф 2.1).В работе было проведено исследование изменения и модификации зарядового состояния МДП-структур при сильнополевой туннельной инжекции электронов в подзатворный диэлектрик.С учетом ранее полученные экспериментальные данные [23, 27, 77], кинетика накопления отрицательного заряда в МДП-структуре с подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрикможет быть удовлетворительно описана следующей формулой:  Q (t )  Qtrap (t )   Q0i 1  exp   i inj   ,qi 13(3.1)где в случае инжекции электронов из Si подложки Q03  0 , а в случае инжекцииэлектронов из затвора Q02  0 ; q – заряд электрона; Qinj – заряд, инжектиро-ванный в диэлектрик.На Рис.

3.4 приведены зависимости приращения напряжения на МДПструктуре в процессе сильнополевой инжекции электронов из подложки постоянным током (1) и приращения напряжения, обусловленного интегральным за-82рядом на поверхностных состояниях (2), а также изменение этих зависимостейпри последующем отжиге образца при 200 ºС (1', 2') от плотности инжектированных электронов. Приращение напряжения, обусловленного интегральнымзарядом на поверхностных состояниях, определялось из анализа C-V характеристик.

Для реализации режима сильнополевой инжекции электронов из кремниевой подложки к затвору МДП-структуры прикладывался импульс постоянного тока плотностью 1 мкА/см2. На Рис. 3.4 плотность инжектированныхэлектронов определялась как N  Qinj / q [93].Кривая 1' на Рис. 3.4 характеризуют термостабильную компоненту отрицательного заряда, для получения которой после инжекционной модификацииМДП-структурыотжигалисьпритемпературе200 Свтечение20 мин [27].При инжекции электронов из кремния с увеличением толщины слоя ФССувеличивается диапазон возможных изменений порогового напряжения МДПтранзисторов с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС.

Однакодля обеспечения приемлемых значений плотности поверхностных состоянийвеличина инжектированного заряда при корректировке порогового напряженияне должна превышать 0,3 мКл/см2. Диапазон токового воздействия при изменении зарядового состояния МДП-приборов целесообразно ограничить диапазоном 107  105 А/см2. Уменьшение амплитуды токового воздействия сопровождается трудностями технической реализации и нецелесообразно в связи созначительным возрастанием времени инжекции требуемой величины заряда.Увеличение плотности инжекционного тока приводит к значительному возрастанию вероятности пробоя образца, а также к повышению плотности поверхностных состояний на границе Si-SiO2 [27] при инжекции электронов из Si.На Рис. 3.5 представлены зависимости приращения напряжения ( VI ) наМДП-структуре при туннельной инжекции электронов из кремния импульсомтока j0  1 мкА/см2 от величины инжектированного заряда для МДП-структур83с различной толщиной пленки ФСС при общей толщине подзатворного диэлектрика SiO2-ФСС, равной 40 нм.Рис.

3.4.Зависимости приращения напряжения на МДП-структуре в процессеинжекционной модификации постоянным током (1) и зависимостиприращения напряжения, обусловленного интегральным зарядом наповерхностных состояниях (2) в процессе инжекции, а такжеизменение этих зависимостей после отжига при 200 ºС (1', 2')от плотности инжектированных электроновПрерывая процесс инжекции через определённые промежутки времени(процесс прерывания не влиял на вид экспериментальных зависимостей), измеряли сдвиг напряжения плоских зон VFB по C-V характеристикам и величину84изменения напряжения на образце при отрицательной полярностиVI   затвора.Рис.

3.5.Зависимости приращения напряжения на МДП-структуре с толщинойподзатворного диэлектрика SiO2-ФСС 40 нм в процессе инжекционноймодификации постоянным током от плотности инжектированного заряда дляплёнки ФСС с различной толщиной: 1 – 5 нм; 2 – 9 нм; 3 – 13 нм; 4 – 22 нмИзменение напряжения на образце при отрицательной полярности затворапроводили при той же плотности тока, которая использовалась для инжекцииэлектронов из кремниевой подложки.

Анализ полученных зависимостей позволил установить, что центроид отрицательного заряда располагался в пленкеФСС ближе к границе раздела SiO2-ФСС. Установлено, что накопление отрицательного заряда для всех кривых, приведенных на Рис. 3.5, хорошо описыва-85ется зависимостью (1), а доминирующими являются электронные ловушки ссечением захвата 1  1,4  1015 см2. Аналогичные результаты были получены идля МДП-структур с более толстым подзатворным диэлектриком и алюминиевым затвором [22, 77].Из Рис.

3.5 видно, что с повышением толщины пленки ФСС возрастаетдиапазон возможных изменений VI при одинаковой величине инжектированного заряда. Это связано как со смещением центроида накапливаемого отрицательного заряда к границе раздела Si-SiO2 при увеличении толщины пленкиФСС, так и с возрастанием плотности накапливаемого отрицательного заряда.Проведение высокотемпературного отжига для всех четырех групп образцовтри температуре 200 С в течении 20 минут приводило к стеканию 40‒50 % отрицательного заряда, накопленного во время сильнополевой инжекции электронов.

Увеличение длительности отжига практически не влияло на оставшуюся термостабильную компоненту отрицательного заряда. Увеличение толщиныпленки ФСС не приемлемо для тонких подзатворных диэлектриков, т.к. можетпривести к сквозному легированию пленки SiO2 фосфором и, как следствие,вызвать ухудшение зарядовой стабильности подзатворного диэлектрика и границы раздела диэлектрик-полупроводник. Увеличение концентрации фосфорав пленке ФСС более 1,5 % может привести к возникновению явлений поляризации и снижению зарядовой стабильности подзатворного диэлектрика[19, 22, 27].

Следовательно, увеличение диапазона коррекции электрофизических параметров МДП-приборов более предпочтительно проводить изменением соотношения между толщинами плёнок диоксида кремния и ФСС, смещаяцентроид отрицательного заряда к границе раздела Si-SiO2, при этом концентрация фосфора в пленке ФСС не должна превышать 1,5 % [27].Выполненные оценочные расчеты постоянной времени релаксации отрицательного заряда с высокой термополевой стабильностью в диапазоне рабочих температур МДП-приборов дали значение более 4  108 с. Эти расчеты были выполнены с использованием кривых токов термостимулированной деполя-86ризации (ТСД) [22] и экспериментальных данных по релаксации C-V характеристик в изотермических условиях.

Следовательно, для получения МДПприборов с высокой температурной стабильностью параметров после коррекции зарядового состояния структур их необходимо отжигать при температурахне ниже 200 С, а модификацию характеристик проводить с учетом стеканиячасти заряда при отжиге.Накопление в объеме подзатворного диэлектрика заданной плотноститермостабильной компоненты отрицательного заряда позволяет корректировать пороговое напряжение МДП-транзисторов, а также повышать пробивноенапряжение подзатворного диэлектрика и уменьшать вероятность его пробояпутем залечивания дефектов («слабых мест») за счет накопления в них отрицательного заряда [15, 27].

На Рис. 3.6 представлены гистограммы распределенияМДП-структур по заряду, инжектированному в диэлектрик до его пробоя в режиме протекания постоянного тока [3, 94] для образцов с подзатворным диэлектриком SiO2 (1) и образцов с двухслойным подзатворным диэлектрикомSiO2-ФСС (2, 3). Как видно из Рис. 3.6, применение двухслойного подзатворного диэлектрика SiO2-ФСС позволяет повысить среднюю величину заряда, инжектированного в диэлектрик до его пробоя и уменьшить количество дефектных структур с малым значением заряда, инжектированного до пробоя.

Этотэффект объясняется залечиванием «слабых мест» в подзатворном диэлектрикеза счет накопления в них отрицательного заряда и, как следствие, уменьшением величины локальных инжекционных токов, протекающих в местах дефектов и приводящих к его пробою. В результате захвата инжектированныхэлектроновувеличиваетсяпотенциальныйбарьер,препятствующийлокализации токов в областях протяженных дефектов у границы с подложкой.НаРис. 3.7иллюстрирующиепоказанынакоплениеэнергетическиезарядовизонныераспределениедиаграммы,локальныхэлектрических полей в структуре Si-SiO2-ФСС-Si* при инжекции электроновиз кремния.

Характеристики

Список файлов диссертации