WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Использование данной методики позволяет проводить исследование релаксационных процессов в сильных электрических полях, обеспечивающих инжекцию электронов из кремния, что затруднительно при использовании постоянного напряжения, при котором сильно возрастает вероятность пробоя образца. Другой важной особенностью предложенного метода является более высокая достоверность измерений, поскольку отсутствует перекоммутация образца при контроле параметров, характеризующих релаксацию зарядового состояния структуры.

Решение данных вопросов имеет важное научное и практическое значение для исследования процессов инжекционной модификации и развития технологии производства полевых приборов и интегральных схем на основе инжекционно модифицированных МДП-структур.

Рассмотрены методические особенности проведения инжекционной модификации МДП-структур и полевых приборов на их основе с использованием методов постоянного тока и напряжения и разработанная установка для инжекционной модификации МДП-транзисторов.

Рассмотрены использованные в работе методики и установки для реализации метода двухуровневой токовой нагрузки, измерения высокочастотных ВФХ МДП-структур и ВАХ МДП-транзисторов.

В третьей главе рассмотрены результаты исследований МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции носителей.

Исследования изменения зарядового состояния МДП-структур с SiO2-ФСС в условиях сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевого электрода при плотности инжекционного тока IS, используемого для стрессового воздействия, равной 10-6 А/см2, показали, что с ростом температуры происходит интенсивное увеличение напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al, связанное с увеличением плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик полупроводник.

Изменения зарядового состояния МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al определяются не только захватом электронов на ловушки в ФСС, но и генерацией положительного заряда дырок, генерированных ударной ионизацией инжектированных электронов и захваченных на ловушки в SiO2 вблизи границы раздела двуокись кремния-полупроводник. Для определения вклада каждого из этих процессов в температурную зависимость изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al при постоянной плотности тока инжекции исследовались зависимости накопления положительного заряда в МДП-структурах с двуокисью кремния при температурах 20100 °С и проводилось их сопоставление с изменением напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al.

Показано, что плотность положительного заряда, накапливающегося в пленке двуокиси кремния МДП-структур в процессе сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевого электрода, имеет температурную зависимость – снижаясь с ростом температуры.

Установлено, что при больших плотностях инжекционного тока метод постоянного тока дает заниженные значения величины положительного заряда и не может быть использован для исследования кинетики накопления положительного заряда на начальном этапе его генерации. Использование предложенного двухуровневого токового воздействия позволяет значительно повысить точность определения величины положительного заряда во всем диапазоне сильнополевых воздействий и, в результате, получать качественно новую информацию о процессах генерации положительного заряда.

На основе исследования температурных зависимостей изменения зарядового состояния многослойных диэлектрических слоев МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al и МДП-структур Si-SiO2-Al, полученных с использованием метода многоуровневой токовой нагрузки (рис.1), установлено, что увеличение плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник, в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al определяется уменьшением накопления положительного заряда генерированных ударной ионизацией инжектированных электронов дырок, захватываемых на ловушки в двуокиси кремния, и увеличением плотности электронов на ловушках в слое ФСС. Причем на увеличение отрицательного заряда электронов на ловушках в ФСС приходится только от 20 до 30 % увеличения плотности отрицательного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник.

Исследовалось влияние режимов сильнополевой инжекции электронов на модифицикацию низковольтных слаботочных стабилитронов на основе МДП-транзистора с многослойным подзатворным диэлектриком, содержащим электронные ловушки. Для реализации режимов инжекционной модификации был разработан специальный МДП-транзистор, имеющий длину канала 2 мкм и соотношение длины канала к ширине 2104. Отличительной особенностью данного полевого прибора является то, что в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойный диэлектрик SiO2-ФСС толщиной 100 нм, содержащий электронные ловушки. Затвор в данном приборе имеет собственный вывод, выполняющий роль электрода, предназначенного для проведения инжекционной модификации многослойного подзатворного диэлектрика.

Установлено, что при инжекции электронов из кремниевой подложки можно сдвигать пороговое напряжение транзистора на величину до 3,5 В, при этом наблюдается заметное в 23 раза снижение крутизны транзистора. При инжекции электронов из алюминиевого электрода максимальный сдвиг порогового напряжения составлял около 1,5 В без заметного снижения

Рис. 1. Зависимости изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-Al (кривые 1-7) и Si-SiO2-ФСС-Al (кривые 1'-4') под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур и плотности тока инжекции:1, 5, 1' - 20 °С, 2, 6, 2' - 50 °С, 3, 3' - 75°С, 4, 7, 4' - 100°С; 1- 4, 1'- 4' - плотность тока инжекции 10-6 А/см2; 5,6,7 - плотность тока инжекции 10-3 А/см2

крутизны. После отжига транзисторов сдвиг порогового напряжения составлял около 60 % от значений полученных после инжекции, а крутизна транзистора практически восстанавливалась до своей исходной величины. Таким образом, для инжекционной модификации МДП-транзисторов более предпочтительным оказывается режим инжекции электронов из кремниевой подложки, при котором выше величина максимального сдвига порогового напряжения и существенно ниже вероятность пробоя подзатворного диэлектрика по сравнению с инжекцией из Al-го электрода.

С повышением температуры, при которой проводилась инжекция электронов, возрастает величина сдвига порогового напряжения МДП-транзистора. Однако после отжига МДП-транзистора остаточная величина термостабильной компоненты отрицательного заряда увеличивается с ростом температуры на 1525% (рис. 2). Следовательно, повышение температуры МДП-транзистора при проведении сильнополевой инжекции позволяет увеличить величину термостабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда.

Рис. 2. Зависимости изменения порогового напряжения МДП-транзисторов от времени инжекции после инжекционной модификации (1, 2, 3) и последующего отжига (1', 2', 3') при температуре инжекционной модификации: 1 –50 °С; 2 – 75 °С; 3 – 100 °С

Исследования изменения распределений МДП-структур до и после инжекции заряда в диэлектрик и после отжига, при инжекционной модификации в производственных условиях показали, что проведение отжига инжекционно модифицированных МДП-структур сопровождается некоторым уменьшением ширины гистограммы распределения МДП-структур по напряжению, соответствующему середине запрещенной зоны, однако она остается больше ширины гистограммы распределения исходных структур.

Исследования влияния протонного облучения на инжекционно модифицированные МДП-структуры Si-SiO2-ФСС-Al указывают на то, что зарядовая деградация при протонном облучении, как исходных МДП-структур, так и после инжекционной модификации имеет схожий характер и заключается в увеличении плотности поверхностных состояний и накоплении в подзатворном диэлектрике положительного заряда. Установлено, что термостабильная компонента инжекционно стимулированного заряда в МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al является устойчивой к воздействию протонного облучения с флюенсами, не вызывающими необратимой деградации МДП-структур Si-SiO2-Al.

В четвертой главе на основе ранее полученных экспериментальных данных предложена модель модификации МДП-структур с термической плёнкой SiO2, пассивированной слоем ФСС, в условиях управляемой сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик при различных температурах. Модель инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al учитывала основные механизмы изменения зарядового состояния многослойного диэлектрика: захват электронов на ловушки в ФСС, накопление положительного заряда, возникающего в результате межзонной ударной ионизации в SiO2 с образованием электронно-дырочных пар и последующим захватом дырок на ловушки в окисле, а также инжекцию дырок из анода, захват электронов на первичные электронные ловушки в SiO2. Процессы накопления зарядов описывались следующими уравнениями:

- уравнение для плотности электронов, накапливаемых в слое ФСС, (1)

- уравнение для плотности электронов, накапливаемых в объеме SiO2

, (2)

- уравнение для плотности положительного заряда, накапливаемого в пленке SiO2

, (3)

где q – заряд электрона; npg и nt – плотности электронов, накапливаемых в ФСС и SiO2 соответственно; p – плотность дырок, накапливаемых в SiO2; Npgi и pgi(Т) – плотности и сечения захвата i-х электронных ловушек в пленке ФСС; Nt и t – плотности и сечения захвата электронных ловушек в пленке SiO2; t – время; Qinj – заряд, инжектированный в диэлектрик; (m-1) – коэффициент генерации дырок (m – коэффициент умножения электронов); g – коэффициент генерации дырок из анода; Np и p – плотности и сечения захвата дырочных ловушек в SiO2; n – сечения захвата инжектированных электронов заполненными дырочными ловушками. ; - частотный фактор; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; Еat – энергия ионизации дырочных ловушек.

Данная модель позволяет моделировать процессы изменения зарядового состояния МДП-структур при проведении инжекционной модификации при различных температурах с учетом температурной зависимости накопления положительного заряда дырок на ловушках в двуокиси кремния.

Рис. 3. Экспериментальные 1, 2, 3, 4 и расчетные 1', 2', 3', 4' зависимости изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур: 1, 1' – 20 °С; 2, 2' – 50 °С; 3, 3' – 75 °С; 4, 4' – 100 °С

Проведено сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей изменения напряжения на МДП-структурах Si-SiO2-ФСС-Al под действием сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния в зависимости от инжектированного заряда для различных температур. Теоретические зависимости были получены с использованием предложенной модели инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO2-ФСС-Al, учитывающей температурную зависимость генераци положительного заряда дырок в двуокиси кремния. Как видно из рис. 3, результаты моделирования позволяют описывать изменение зарядового состояния МДП-структур с многослойным диэлектриком SiO2-ФСС в диапазоне температур 20100 °С.

Разработана модель хранения и стекания отрицательного заряда в инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев на основе системы SiO2-ФСС, в которой вместо квазинепрерывного спектра энергии электронных ловушек в ФСС, предлагается рассматривать линейчатый спектр, состоящий из n дискретных составляющих. Предполагалось также, что частотный фактор не зависит от энергетического положения ловушки и температуры. Сравнение результатов моделирования стекания инжекционно стимулированного заряда при различных температурах с экспериментально полученными данными показало (рис. 4), что в энергетическом спектре электронных ловушек в инжекционно модифицированном многослойном диэлектрике SiO2-ФСС имеются ловушки, способные обеспечить время хранения захваченного заряда, достаточное для практического использования в полевых приборах и ИМС.

Рис. 4. Расчетные 1, 2, 3 и экспериментальные 1', 2', 3' временные зависимости изменения напряжения плоских зон МДП- структур при различных температурах: 1, 1'- 200 °C, 2, 2'- 100 °C, 3, 3' - 50 °C

В пятой главе описан разработанный способ изготовления МДП-транзисторов (патент РФ № 2206142), включающий формирование на кремниевой пластине областей истока, стока и слоя подзатворного диэлектрика с электронными ловушками в объеме, формирование металлической разводки, определение величины подгонки порогового напряжения VТ, изменение порогового напряжения внешним воздействием во время нагрева подложки, где в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию электронов из кремния в подзатворный диэлектрик импульсом постоянного тока плотностью, лежащей в диапазоне 10-7-10-4 А/см2, в течение которой контролируется изменение напряжения на МДП-структуре VI, и прекращают инжекцию при достижении VI=VТ.

Предложен метод сильнополевой туннельной инжекции в режиме квазипостоянного тока, заключающийся в том, что на затвор МДП-транзистора подаются импульсы возрастающего напряжения, а в промежутках между импульсами производится измерение порогового напряжения. На затвор МДП-транзистора первоначально подается импульс напряжения инжекции длительностью tinj с амплитудой V0, соответствующей требуемой величине тока инжеции I0. После прекращения подачи импульса напряжения инжекции, в промежутке между импульсами, измеряется пороговое напряжение МДП-транзистора VT. Амплитуда следующего импульса напряжения инжекции увеличивается на величину изменения порогового напряжения транзистора. Измерение порогового напряжения и увеличение амплитуды следующего импульса производятся после окончания подачи каждого импульса напряжения инжекции. Подача импульсов напряжения производится до достижения требуемого изменения порогового напряжения.

Во время подачи импульса напряжения сильнополевая инжекция осуществляется в режиме постоянного напряжения. В течение длительности импульса электрическое поле на инжектирующей границе раздела будет уменьшаться за счет накопления заряда захваченных на ловушки в многослойном диэлектрике электронов, что будет приводить соответственно и к уменьшению тока инжекции. Увеличение амплитуды последующего импульса напряжения приведет к тому, что напряженность электрического поля на инжектирующей границе станет такой же, какой она была в начале предшествующего импульса напряжения.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»