Диссертация (1025135), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

В режиме протекания постоянного инжекционного тока, при котором проводились измерения, приведенные на гистограммах на Рис. 3.7, накоп-87ление отрицательного заряда в пленке ФСС приводит к возрастанию локального электрического поля между центроидом этого заряда и анодом Ea .Рис. 3.6.Гистограммы распределения МДП-структур по заряду, инжектированному вдиэлектрик до его пробоя для образцов с подзатворным диэлектриком SiO2 (1)и образцов с двухслойным подзатворным диэлектриком SiO2-ФСС (2, 3) дляплёнки ФСС с различной толщиной: 2– 9 нм; 3 – 22 нмПо-видимому, это является основной причиной уменьшения средней величины заряда, инжектированного до пробоя, для образцов с толщиной пленкиФСС d PSG  22 нм (Рис.

3.6, гистограмма 3), по сравнению с образцами, у которых d PSG  9 нм (Рис. 3.6, гистограмма 2), поскольку большая плотность отрицательного заряда приводит к большему увеличению локального электрического поля Ea . Следовательно, сильное легирование пленки SiO2 фосфором, икак следствие, увеличение толщины пленки ФСС в двухслойном подзатворномдиэлектрике SiO2-ФСС может привести к снижению зарядовой стабильностиМДП-приборов.88Рис. 3.7.Энергетическая зонная диаграмма, иллюстрирующая накопление зарядов ираспределение локальных электрических полей в структуре Si-SiO2-ФСС-Si*при инжекции электронов из кремниевой подложкиПрипроведенииинжекционноймодификацииМДП-структурSi-SiO2-ФСС-Si* путем сильнополевой туннельной инжекции электронов вподзатворный диэлектрик целесообразно выбирать такие режимы инжекции,чтобы минимизировать накопление положительного заряда у границы разделаSi-SiO2 и отрицательного заряда в объеме пленки SiO2 (Рис.

3.7) [22, 27]. Каквидно из Рис. 3.7, накопление отрицательного заряда в пленке ФСС приводит кповышению энергетического барьера на инжектирующей границе раздела и,как следствие, к увеличению пробивных напряжений подзатворного диэлектрика. Однако повышение пробивного напряжения подзатворного диэлектрика89сопровождается изменением пороговых напряжений МДП-транзисторов, чтонеобходимо учитывать при проведении инжекционной модификации такихприборов. Показано, что применение подзатворного диэлектрика на основепленки SiO2, легированной фосфором с образованием двухслойного стека SiO2ФСС с концентрацией фосфора в пленке ФСС 0,4‒0,9 % позволяет залечивать«слабые места» в подзатворном диэлектрике за счет накопления в ФСС присильнополевой инжекции отрицательного заряда, приводящего к увеличениюпотенциального барьера в месте дефекта и, как следствие, уменьшению локальных токов.3.3.Исследованиеимоделированиевоздействияионизирующихизлучений на МДП-структуры с наноразмерными диэлектрическимипленкамиБольшое количество работ [95‒97] посвящено исследованию ионизационных процессов в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), протекающих под действием радиационных воздействий.

Такое внимание этому вопросу уделяется, прежде всего, вследствие необходимости обеспечения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных микросхем,изготовленных по МДП-технологии. Однако недостаточно изученным остаетсявопрос об особенностях ионизационных процессов в диэлектрических слояхМДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции под действием радиационных излучений различных видов, что существенно сдерживаетпрактическое использование полевых структур в этих режимах в различныхобластях науки и техники.

Важность данных исследований особенно повысилась в последнее время, поскольку рабочие режимы наноразмерных диэлектрических слоев в МДП-приборах либо приближаются, либо являются инжекционным. Другим важным направлением этих исследований является использование МДП-структур в качестве активных элементов сенсоров радиационных90излучений, основанных на анализе ионизационных процессов, протекающихкак в области пространственного заряда полупроводника, так и в диэлектрической пленке [96].В данной работе предложена модель изменения зарядового состоянияМДП-структур, находящихся в режиме сильнополевой инжекции в диэлектрикпостоянным током, учитывающая действие ионизирующих излучений на образец.

Проведено моделирование изменения зарядового состояния МДПструктур при воздействии радиационных излучений.Моделирование изменения зарядового состояния МДП-структур с термической пленкой SiO2 при сильнополевой туннельной по Фаулеру-Нордгеймуинжекции электронов в режиме поддержания постоянного тока проводилось наоснове следующей системы уравнений [95‒100]:‒ уравнение сдвига напряжения на МДП-структуре при инжекции электронов из кремния:VI    =q nt0  d ox  xn0   nt  d ox  xn   p  d ox  xp   ; 0 (3.2)‒ уравнение сдвига напряжения на МДП-структуре при инжекции электронов из металлического электрода:VI    =q nt0 xn0  nt xn ; 0(3.3)‒ уравнение для плотности электронов, накапливаемых в объеме SiO2 наисходных ловушках: nt0  N t0  1  exp   t0 Qinj   ; q(3.4)‒ уравнение для плотности электронов, накапливаемых в объеме SiO2 навновь созданных ловушках:nt    Q gg  Qinj  1  exp   g inj   ;g qq (3.5)91‒ уравнение для плотности положительного заряда, накапливаемого впленке SiO2:qdp J inj   m  1   p  ( N p  p )  J inj   n  p;dt(3.6)‒ уравнение для плотности тока Фаулера-Нордгейма: BJ inj  AE 2 exp    ; E(3.7)‒ уравнение нейтральности зарядов:Q0  QC  Qinj  Qion ,(3.8)где q ‒ заряд электрона; 0 ‒ диэлектрическая проницаемость диэлектрика;nt 0 и nt – плотности электронов, накапливаемых в SiO2 на исходных и вновьсозданных ловушках соответственно; p ‒ плотность дырок, накапливаемыхв SiO2; dox – толщина подзатворного диэлектрика; xn0 , xn и xp ‒ положенияцентроидов (относительно границы Si-SiO2) отрицательного заряда в SiO2 наисходных ловушках, отрицательного заряда в SiO2 на вновь созданных ловушках и положительного заряда в SiO2 соответственно; g ‒ сечения захватавновь созданных электронных ловушек; N t и  t ‒ плотности и сечения захватаэлектронных ловушек в пленке SiO2; t – время; Qinj – заряд, инжектированныйв диэлектрик ( Qinj  J inj  t );  m  1 – коэффициент генерации дырок (m – коэффициент умножения электронов); g – коэффициент генерации дырок из анода;N p и p ‒ плотности и сечения захвата дырочных ловушек; n ‒ сечение захвата заполненными дырочными ловушками инжектированных электронов;A  1,54  106  m0 / m * B1 [A/B2] и B  6,83  107  m0 / m * 3/2B [B/см] – постоянные туннельной инжекции по Фаулеру-Нордгейму; m0 и m * ‒ масса электронав вакууме и эффективная масса электрона в диэлектрике; B ‒ высота потенциального барьера на инжектирующей границе раздела; E – напряженность катодного электрического поля; Q0 – заряд, подводимый к образцу ( Q0  J 0  t )92импульсом постоянного тока плотностью J 0 ; QC – заряд, накапливаемый ёмкостью МДП-структуры ( QC  Cmos  VI  t  ), Cmos ‒ емкость структуры, VI  t  –временная зависимость падающего на образце напряжения; Qion – заряд, созданный в диэлектрике ионизацией ( Qion  J ion  t ), J ion – плотность тока ионизации.

Импульс ионизационного тока от воздействия радиационного излучениямоделировался генератором тока.Система (3.2‒3.8) решалась при следующих начальных условиях:nt 0  0   nt  0   p  0   0 . Плотность захваченных дырок находилась путем численного решения методом Рунге-Кутты-Фельберга четвертого-пятого порядкадифференциального уравнения (3.6), в котором сечение захвата электронов  n имеет полевую зависимость n  b0  E 3 , где b0 ‒ параметр модели, E ‒напряженность электрического поля в диэлектрике (МВ/см). Коэффициент генерации дырок рассчитывался с использованием выражений, предложенных в[14]:4 Em  1  Pmf   ii  1 , Eth (3.9)где величины порогового поля Ethii (МВ/см) и коэффициента Pmf определяютсяследующим образом:t1 E  E  1  d ox  td iith4th(3.10)иPmf  Po  (d ox  td )  P1 1,d ox  td(3.11)где dox ‒ толщина слоя окисла.

Для толщин окисла больше 30 нм параметры,входящие в выражения (3.10) и (3.11), были следующими: Eth  6,4 МВ/см;td  8,2 нм; t1  1,56 нм; Po  9  103 нм-1; P1  3 нм.93Параметры модели, входящие в выражения (3.2‒3.8), полагались следующими[88]:p  5  1014 см2;bo  3  1013N p  1  1013 см-2;МВ3/см; t  1  1018 см2; N t  1,5  1013 см-2; g  3  107 ; g  1,4  1015 см2.Моделирование проводилось для МДП-структур, технология изготовления и методика облучения, которых подробно описаны в [101, 102].

В качествеэкспериментальных образцов использовались тестовые МДП-конденсаторы,изготовленныенапластинахКЭФ-4,5.Двуокиськремниятолщиной20 ÷ 100 нм получали термическим окислением кремния в сухом кислородепри температуре 1000 С с добавлением 3 % HCl. Алюминиевую пленку толщиной 1,2 мкм напыляли магнетронным методом, после чего, используя фотолитографию, формировали Al электроды различной площади.К МДП-структуре прикладывался импульс постоянного тока, обеспечивающий заряд емкости структуры и установление режима сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик. Исследование радиационного излучения проводится по изменению временной зависимости напряжения наструктуре в режиме протекания постоянного сильнополевого инжекционноготока через диэлектрическую пленку, а также в режимах заряда и разряда емкости МДП-структуры [102]. Амплитуда импульса тока, прикладываемого к образцу, выбиралась исходя из условия незначительной зарядовой деградацииМДП-структуры, обусловленной инжекцией электронов в течение всего измерительного цикла, а также получением необходимой чувствительности[103, 104].Для исследования влияния -частиц на МДП-структуры, находящиеся врежиме сильнополевой инжекции носителей в диэлектрик, МДП-структурыподвергались воздействию излучения источника239Pu.Мощность потока-частиц составляла 1010 c-1·см-2.

Характеристики

Список файлов диссертации