WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Возникновение электроусталости в МОП структурах в результате снижения высоты потенциального барьера при полевой ионизации атомов диэлектрика © И.С. Савинов¶ Московский энергетический институт, 111250 Москва, Россия (Получена 26 января 2004 г. Принята к печати 1 марта 2004 г.) Выполнен расчет влияния ионизованного заряда в диэлектрике на величину избыточного тока в МОП структуре. Сравнение результатов численного расчета с экспериментальными данными показывает, что этот эффект может быть ответственным за зависящий от времени пробой сверхтонкого подзатворного диэлектрика в МОП транзисторах.

1. Введение в появлении дополнительного тока утечки и снижении пробивного напряжения. В задачу работы, в рамках Надежность и длительная стабильнось параметров во предложенной модели, входил анализ условий, которые всем диапазоне эксплуатационных режимов — основдолжны быть наложены на концентрацию и распределеное требование для современных интегральных схем ние ионов, чтобы обеспечить возникновение избыточных на основе МОП транзисторов. Переход современной токов, по порядку величины совпадающих с наблюдаетехнологии на субмикронный уровень и использование мыми экспериментально.

сверхтонкого (менее 8 нм) подзатворного диэлектрика Рассмотрим наиболее часто используемую в транзиприводит к возникновению новых эффектов, являюсторах структуру Si–SiO2–polySi (polySi — поликрищихся потенцильными источниками нестабильности и сталлический кремний).

деградации приборов.

Соответствующая этой структуре энергетическая диаВ задачу данной работы входит рассмотрение одной из грамма приведена на рис. 1. Предполагается, что перенос возможных причин временного снижения электрической заряда через границу при наложении внешнего электрипрочности сверхтонкого подзатворного диэлектрика поческого поля определяется механизмом Фаулера–Нордсле пребывания МОП структуры при напряжениях, гейма. Ограничимся рассмотрением ситуации, при коблизких к предельно допустимым [1–3]. В отечественной торой приложенное напряжение относительно невелико литературе эффект временного ухудшения параметров и ширина потенциального барьера постоянна. Для чисприборов и материалов, возникающий при электричеленных расчетов примем, что высота потенциального ских перегрузках, называют электрострессом или элекбарьера на границе Si–SiO2 равна eUb = 2.7эВ.

троусталостью. В данной работе будем придерживаться первого термина, относя к электроусталости эффекты обратимого ухудшения параметров, а к электрострессу — все возникающие при высоких энергетических нагрузках эффекты деградации, как обратимые, так и необратимые.

2. Модель Предпосылкой для работы послужил экспериментальный факт возрастания положительного заряда в диэлектрике после выдержки МОП структуры при высоких электрических полях, а также наблюдаемое в случае тонких диэлектриков возрастание тока утечки [1].

В основу использованной в работе расчетной модели положено предположение о том, что ионизованные дефекты (положительные ионы), расположенные вблизи границы раздела, вызывают локальное понижение потенциального барьера между электродом и диэлектриком и соответственно приводят к локальному увеличению инжекции электронов в диэлектрик, что проявляется Рис. 1. Схематическое изображение рассматриваемой струк¶ туры (a) и часть соответствующей энергетической диаграмE-mail: voronkoven@mpei.ru Fax: (7095)362-8938 мы (b).

624 И.С. Савинов Для приращения туннельного тока, обусловленного наличием в диэлектрике одного иона, получим vx max 4em2kT Ec - F mvx I = exp - exp - vxdvx, h3 kT 2kT (4) где 2eUb vx max =, m Ec и F — потолок зоны проводимости и уровень Ферми поликристаллического кремния, vx — компонента скорости электрона.

Разница между вероятностью прохождения электрона через потенциальный барьер в присутствии иона и Рис. 2. Диаграммы потенциального барьера в слое диэлектривероятностью прохождения электрона через первонака при различном удалении траектории электрона r = R/Wb чальный потенциальный барьер на единицу площади от положения иона.

определяется выражением 1 2 2m Будем считать, что на расстояниях, больших размера P = 2r exp - (V - E)1/2dx атома, распределение потенциала иона описывается за0 Ra /Wb коном Кулона. Также предположим, что слой Si является элекростатическим „зеркалом“. В этом случае распре- 2 2m деление потенциала можно найти с помощью метода - exp - (V - V - E)1/2dx drda, (5) зеркальных отображений. Для случая цилиндрических координат значение потенциала в точке (x, r) будет иметь следующий вид [4]:

где Ra — минимальное расстояние, на которое элек трон может пройти от центра ионизованного атома и e V (x, r, a1) = r2 +(x - a1)избежать захвата. Вероятность прохождения электрона 40Wb через потенциальный барьер усредняется относительно 1 - - всех возможных положений иона в слое диэлектрика.

2 - r2 +(x + a1)2 + r2 +(2n + x - a1)n=3. Результаты расчета и их 1 - 2 - r2 +(2n - x - a1)2 + r2 +(2n - x + a1)обсуждение - r2 +(2n + x + a1)2, (1) Из экспериментальных данных [1] следует, что при длительном электрострессе ток утечки вначале увелигде r = |r - r1|, a1, r1 — координаты иона, ось x начивается незначитально, однако по истечении интервала правлена нормально к слою диэлектрика, значения всех времени порядка 2 · 103 с ток становится зашумленным координат представлены в единицах толщины пленки дии резко возрастает, а затем, спустя примерно 2 · 103 с, электрика Wb, 0 — диэлектрическая проницаемость Si.

развивается тепловой пробой.

Зеркальное отображение электрона, проходящего баВ работе [1] явление увеличения тока утечки в обларьер, будет вызывать деформацию профиля электростасти слабых полей было названо квазипробоем и показана тического потенциала. Учтем эти искажения следующим соответствующая для этого случая зависимость тока образом:

утечки от потенциала затвора. В [1] также сообщается, что явление квазипробоя развивается в отдельных лоe Ve(x, r) = - + (2n -|2n + 2x|). (2) кализованных областях образца и наблюдается только в 40Wb 2x2 n=тонких (менее 8 нм) пленках оксида кремния. При этом Используя обозначения, приведенные на рис. 1, для из результатов [1] следует, что общая площадь областей, результирующего распределения потенциала получим в которых развивается явление квазипробоя, составляет приблизительно 0.001 от общей площади образца.

V (x, r, a1) =V (x, r, a1) +Ve(x, r) +Ub - xVg, (3) Полагая Ra = 1, что приблизительно равно радиусу где Vg — внешняя разность потенциалов, приложенная к атома, из (4) получим, что приращение туннельного диэлектрику. Потенциал на левой границе диэлектрика тока, вызванного одним ионом составляет величину (x = 0, рис. 2) предполагается равным нулю. порядка 10-27 A.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Возникновение электроусталости в МОП структурах в результате снижения высоты потенциального... На рис. 3 приведены рассчитанные значения избыточного тока I от напряжения на затворе Vg для случаев различного количества ионов, ассоциированных вблизи границы. Общий характер рассчитанных зависимостей аналогичен экспериментальным кривым, полученным в работе [1].

Из рис. 3 следует, что подобные пространственные комбинации ионов приводят к значительному увеличению тока утечки, однако необходимо помнить, что полученные результаты являются лишь приближенной оценкой и не являются количественно точными. Можно показать, что даже относительно небольшая неточность для значения высоты потенциального барьера приводит к погрешности в результатах на несколько порядков величины. На рис. 4 приводится зависимость туннельного тока от напряжения затвора при двух различных высотах Рис. 3. Расчетные зависимости тока утечки I от потенциала барьера.

затвора Vg при наличии в диэлектрике нескольких продольно Оценим максимально возможный ток утечки в предрасположенных положительных ионов: 1 —1 ион, 2 —2 иона, положении, что площадь образца, как и в работе [1], 3 —3 иона, 4 —4 иона.

равна 10-4 см. Полный ток получим из соотношения I = JNa, (7) где Na — число расположенных на поверхности образца атомов, — доля положительно ионизованных поверхностных атомов, J — добавочный туннельный ток, приходящийся на один канал проводимости.

Порядок величины можно принять равным 0.001, исходя из результатов [1], т. е. предположить, что ионизован один из тысячи атомов поверхности. Значение можно оценить из результатов, приводимых в работе [5], где сообщается, что среднее расстояние между ионизованными дефектами в SiO2 при напряжении, близком к пробойному, становится равным 3 нм. В результате из соотношения (7) получим значение тока порядка 10-8 A, что хорошо согласуется с данными работы [1].

Рис. 4. Расчетная зависимость тока утечки Ig от потенциала затвора Vg при различных значениях высоты потенциалного 4. Заключение барьера Ub, эВ: 1 —2.7, 2 —2.6.

Выполненное в работе рассмотрение показывает, что возникновение положительных ионов в диэлектрике и Рассчитывая добавочный туннельный ток, обусловпоследующее локальное снижение высоты потенциальленный одним положительным ионом, при различных ного барьера может быть одним из возможных механиззначениях потенциала затвора получим зависимость мов возникновения тока утечки подзатворного диэлектока утечки от потенциала затвора. При этом толщитрика МОП транзисторов после его выдержки при нану диэлектрика, как и ранее, полагаем равной 4.5 нм, пряжениях на затворе, близких к предельно допустимым.

что соответствует толщине образца, использованного в работе [1]. Характер полученной зависимости хорошо совпадает с характером аналогичной зависимости, Список литературы приведенной в [1]. Очевидно, что несколько ионов, расположенных друг за другом в продольном направле- [1] O. Briere, A. Halimaoui, G. Chibaudo. Sol. St. Electron., 41 (7), 347 (1997).

нии, более эффективно снижают высоту потенциального [2] T. Brozek, E.C. Szyper, C.R. Viswanathan. Sol. St. Electron., барьера и приводят к большему увеличению туннель41 (7), 995 (1997).

ного тока. Для того чтобы учесть этот случай, следует [3] А.С. Дудников, Н.А. Зайцев. Электрон. техн., сер. 3, Микродобавить в соотношение (3) несколько новых членов:

электроника, № 1, 33 (2001).

[4] F.W. Shmidlin. J. Appl. Phys., 37 (7), 2823 (1966).

V (x, r, a1) =V1(x, r, a1) +... + V4(x, r, a1) Редактор Т.А. Полянская + Ve(x, r) +Ub - xVb. (6) 8 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 626 И.С. Савинов MOS structures electro-fatigue origination as a result of barrier height reduction under influence of field ionization of atoms in a dielectric I.S. Savinov Moscow Power Engineering Institute, 111250 Moscow, Russia

Abstract

The influence of ions in dielectric on an excess current in MOS structire is investigated. A comparison between simulation results and experimental data demonstrates that this effect could be responsible for time-dependent breakdown of ultra thin gate oxide in MOS transistors.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.