WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 Мягкий пробой как причина спада тока в туннельной МОП структуре ¶ © А.Ф. Шулекин, С.Э. Тягинов, R. Khlil, A. El Hdiy, М.И. Векслер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия LASSI/DTI, CNRS-UMR 6107, UFR Sciences BP 1039, F-51687, Reims cedex 2, France (Получена 10 ноября 2003 г. Принята к печати 11 ноября 2003 г.) Изучено влияние электрического стресса на вольт-амперные характеристики МОП диодов Al/SiO2/ p+-Si с туннельно-тонким диэлектриком (2.5-3.0нм). Проведены испытания образцов при постоянном токе и при постоянном напряжении. В процессе стресса при постоянном напряжении, наряду с увеличением тока, связанным с мягким пробоем, в некоторых случаях отмечено скачкообразное уменьшение тока.

Подобный срыв тока имеет место преимущественно при высоких напряжениях и может быть обусловлен специфическим проявлением мягкого пробоя. При сильной пространственной дисперсии толщины SiO2 данный эффект играет существенную роль, даже если пробой локализован в достаточно малой области.

1. Введение ка к омической, в отличие от неповрежденных частей, где она туннельная (грубо — экспоненциальная [7], Процесс миниатюризации полевых МОП транзисто- рис. 1).

ров требует все более тонкиx слоeв диоксида кремПри малых напряжениях V на приборе общий ток ния в качестве подзатворного диэлектрика. В соврев структуре после мягкого пробоя скачком растет из-за менных транзисторах (MOSFETs) используются диэлеквклада дефектной области. Однако туннельное сопротивтрики тощиной 3-4 нм и подложки с легированием ление резко уменьшается с увеличением напряжения, 1018 см-3 [1], однако исследование транзисторов, имеи при любых параметрах туннелирования оно, в конце ющих более тонкий диэлектрик или большую степень концов, оказывается меньше, чем любое омическое. Друлегирования, вызывает также существенный интерес [2].

гими словами, туннельная экспонента рано или поздно В данной работе проводилось исследование мягкого пересечет линейную зависимость тока от напряжения пробоя МОП диодов с туннельно-тонким SiO2, изготов- для области пробоя (V = V на рис. 1). Таким образом, ленных на подложках из p-кремния с уровнем легироваиз достаточно простых соображений следует, что при ния NA = 2 · 1018-2 · 1019 см-3.

V > V должен наблюдаться спад, а не рост тока после Качественно разрушение тонкого окисла часто расмягкого пробоя.

сматривается как процесс, состоящий из трех стаЕстественно предположить [6], что размеры продий [3]: вызванное перегрузкой образца увеличение тока водящей области, формирующейся благодаря мягкому при фиксированном напряжении, мягкий пробой (soft пробою, (breakdown spot) достаточно малы. Поэтому breakdown) и, наконец, жесткий пробой. Мягким провозникают сомнения в реальности экспериментального боем [4] называется локальный пробой диэлектрика без наблюдения спада тока. Действительно, если плотность последующего расширения пробитой области, в отличие от жесткого (катастрофического) пробоя, при котором локальное повреждение может распространиться на всю площадь прибора.

Резкое увеличение тока представляется естественным и безальтернативным следствием мягкого пробоя [3–6].

Однако в данной работе будет показано, что наряду с увеличением тока может и должен наблюдаться также его скачкообразный спад, ходя это и выглядит несколько неожиданно.

2. Модель спада тока после мягкого пробоя Рис. 1. Схематические вольт-амперные характеристики непоДля простоты примем, что область мягкого пробоя врежденной части площади МОП структуры (экспоненциальпредставляет собой часть площади МОП структуры, ная зависимость) и области мягкого пробоя (линейная завилокальная вольт-амперная характеристика которой близ- симость). При высоких напряжениях (|V | > |V |) туннельное ¶ сопротивление становится меньше омического.

E-mail: shulekin@pop.ioffe.rssi.ru 8 754 А.Ф. Шулекин, С.Э. Тягинов, R. Khlil, A. El Hdiy, М.И. Векслер рассчитанными [10] для несколько меньших толщин диэлектрика, 2.2-2.3нм.

Образцы подвергались испытаниям при постоянном токе (constant current stress — CCS) и при постоянном напряжении (constant voltage stress — CVS).

В CCS-режиме постоянный ток поддерживался на уровне 5 · 10-6 А, а в режиме CVS напряжение фиксировалось в диапазоне 1.0-3.5 В. Одновременно записывались изменения со временем соответственно напряжения и тока. После каждой серии испытаний измерялись вольт-амперные характерстики. Все измерения проводились при температуре T = 300 K в темноте (для исключения влияния фотоэффекта).

Рис. 2. Зависимость доли тока, текущей через наиболее тонХарактерные примеры эволюции тока со временем кую область прибора, от относительной площади данной обладля CVS-измерений показаны на рис. 3. Плавные изменести при различных значениях среднеквадратичного отклонения ния возникают обычно сразу после подачи напряжения толщины окисла. Номинальная толщина SiO2 25, уровень на структуру и связаны с захватом носителей ловушками легирования p-Si NA = 2 · 1018 см-3. Температура T = 300 K.

Hапряжение V = -2В (сплошная линия) и -3В (штриховая). на границе раздела. Скачкообразный срыв тока может происходить как в сторону больших значений (рис. 3, a), так и в сторону меньших (рис. 3, b). Новым в данной работе является обнаружение спада тока. Он отчетливо тока однородна, то даже полное исключение области выражен на рис. 3, b (> 1-3%) и наблюдался на многих пробоя из переноса заряда не приведет к измеримому исследованных приборах. Заметим, что при одном и уменьшению тока через прибор. Однако, поскольку том же напряжении (или при близких напряжениях) всегда имеется неоднородность распределения толщины могут наблюдаться скачки тока как вверх, так и вниз.

окисла по площади, а пробиваются всегда самые тонкие Сформулированную в разд. 2 модель можно согласовать участки, влияние дефектной области на величину тока с данным экспериментальным фактом, если допустить радикально возрастает.

На рис. 2 приведена зависимость доли тока, протекающей через наиболее тонкую область структуры, от относительной площади данной области для разных значений среднеквадратичного отклонения толщины SiO2 от ее номинального значения ( ). Данная зависимость была получена в рамках модели, аналогичной [8]. Видно, что уже при 0.1нм (заметим, что в лучших промышленных образцах составляет 0.15 нм [9]) 10-4 полного тока проходит через 10-6 общей площади прибора.

Получается, что наличие (или искусственное создание) существенной пространственной дисперсии толщины SiO2 делает возможным заметный спад тока в результате мягкого пробоя даже при весьма малой площади поврежденной области образца.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение Для измерений использовались туннельные МОП диоды, изготовленные на подложке из легированного бором p+-Si кристаллической ориентации (111). Тонкий окисел (SiO2) был выращен в сухой смеси O2 (20%) и N2 при температуре 700C; средняя толщина окисла составляла 2.7нм, а 0.3 нм. Круглые Al-контакты (площадь S = 1.26 · 10-3 см2) наносились при 200C.

Достаточно большое значение параметра проявляРис. 3. Изменения тока в ходе испытаний при постоянном ется в том, что вольт-амперные характеристики (ВАХ) напряжении: a — плавное и скачкообразное увеличение тока, наших образцов очень хорошо совпадают с теоретически V = -3.5В; b — скачкообразное уменьшение тока, V = -3В.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Мягкий пробой как причина спада тока в туннельной МОП структуре тока. В области малых напряжений возникает противоположная ситуация, поэтому ток увеличивается.

На некоторых приборах наблюдался только рост тока, но следует подчеркнуть, что он был значительным лишь при малых напряжениях, а при больших почти незаметным. Такое поведение также говорит в пользу обсуждаемой модели спада тока. По-видимому, в таких структурах напряжение V не достигается, хотя ослабление роста тока и свидетельствует о приближении к нему.

Располагая данными рис. 2, можно оценить снизу (предполагая полное отсутствие тока в пробитой области) характерный размер дефектной области ldef. В наших образцах, где 0.3 нм, 1% тока течет всего лишь через 10-8 площади прибора. Считая, что спад тока составляет 1%, получаем оценку минимального размера Рис. 4. Вольт-амперные характеристики после серии стрессов ldef (10-8S)1/2 40 нм.

при инжекции электронов из подложки (a) и из металла (b).

Приведены средние по площади значения заряда, прошед- Таким образом, в данной работе впервые удалось шего через структуру до записи соответствующей кривой. зарегистрировать спад тока через туннельную МОП a, b — разные образцы.

структуру после мягкого пробоя. Следует заметить, что при дальнейшей миниатюризации полевых транзисторов обнаруженный эффект может стать более существенным, так как при уменьшении размеров прибора относительная площадь дефектной области увеличивается.

4. Заключение Проведены исследования поведения туннельных МОП диодов Al/SiO2/p+-Si с толщиной SiO2 2.5-3.0нм при перегрузке в режимах постоянного тока и постоянного напряжения. Обнаружено нетривиальное скачкообразное уменьшение тока, проявляющееся преимущественно в области высоких напряжений, что трактуется как одно из следствий мягкого пробоя. Еще более существенным эффект спада тока должен быть в образцах малой площади и (или) с существенным пространственным Рис. 5. Отношение I/I0 =(Ist - I0)/I0 как функция наразбросом толщины окисла, что повышает относительпряжения на структуре в наиболее типичном случае: I ную роль пробитой области в формировании полного положительно в области низких напряжений и отрицательно тока.

при высоких |V |. Стрелка показывает эволюцию характеристик в ходе испытаний.

Работа поддержана грантом Президента Российской Федерации НШ-758.2003.2 ведущих научных школ; авторы выражают благодарность программе ФТНС-2003.

разброс величины V для различных актов пробоя в одном образце и между образцами.

Список литературы Рассморим теперь изменение вольт-амперной характеристики в целом (рис. 4). Для небольших по величине [1] SEMATECH. The international technology roadmap for напряжений |V | наблюдается увеличение тока, в то semiconductors. http://public.itrs.net/home.htm (2001).

время как в области больших значений напряжения про- [2] B. Yuwono, T. Schloesser, A. Gschwandtner, G. Innertsberger, A. Grassl, A. Olbrich, W.H. Krautschneider. Microelectron.

исходит отчетливое его уменьшение. Рис. 5 дополняет Eng., 48, 51 (1999).

информацию о подобном поведении: построена зависи[3] R. Degraeve. Reliability of Ultra-Thin Oxide Gate Dielectrics, мость (Ist - I0)/I0 = I/I0 от прикладываемого напря9th European Symposium on Reliability of Electron Devices, жения (Ist было записано после, а I0 до стресса) для Failure Physics and Analysis (Tutorial), (Leuven, IMEC, еще одного образца. Приведенные на рис. 4, 5 результаты 1998).

хорошо объясняются в рамках предложенной модели.

[4] M. Depas, T. Nigam, M.M. Heyns. IEEE Trans. Electron. Dev., Сопротивление дефектной области при больших напряED-43 (9), 1499 (1996).

жениях (|V | > |V |) становится больше, чем туннельное [5] F. Crupi, R. Degraeve, G. Groeseneken, T. Nigam, H.E. Maes.

сопротивление (см. рис. 1), что приводит к уменьшению IEEE Trans. Electron. Dev., ED-45 (11), 2329 (1996).

8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 756 А.Ф. Шулекин, С.Э. Тягинов, R. Khlil, A. El Hdiy, М.И. Векслер [6] E. Miranda, J. Su, R. Rodguez, M. Nafria, X. Aymerich.

Jap. J. Appl. Phys., 38 (1), 80 (1999).

[7] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, 1984) т. 2, гл. 9.

[8] M.I. Vexler, A.F. Shulekin, Ch. Dieker, V. Zaporojtschenko, H. Zimmermann, W. Jaeger, I.V. Grekhov, P. Seegebrecht. Sol.

St. Electron., 45 (1), 19 (2001).

[9] H.S. Momose, S. Nakamura, T. Ohguro, T. Yoshitomi, E. Morifuji, T. Morimoto, Y. Katsumata, H. Iwai. IEEE Trans.

Electron. Dev., ED-45 (3), 691 (1998).

[10] J.P. Shiely. Simulations of tunneling in MOS devices (Duke University, 1999).

Редактор Л.В. Шаронова The soft breakdown causing a current decrease in MOS tunnel structures A.F. Shulekin, S.E. Tyaginov, R. Khlil, A. El Hdiy, M.I. Vexler Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia LASSI/DTI, CNRS-UMR 6107, UFR Sciences BP 1039, F-51687, Reims cedex 2, France

Abstract

An influence of electric stress on the current–voltage characteristics of Al/SiO2/ p+-Si MOS diodes with the tunnel-thin (2.5–3.0 nm) dielecrtic has been studied. Conventional tests of specimens have been made in the constant-current and constantvoltage regimes. Along with the soft-breakdown-related increase in current, unusual abrupt drops in current have been observed during the constant voltage stress. Such a reduction of current appeared predominately under high bias condition and may be considered as a pecular consequence of the same soft breakdown events. In the case of the substantial spatial oxide thickness non-uniformity, this effect is important even if it is localized inside a fairly small volume.




© 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.