Проведен анализ современного состояния изучения зарядовых явлений в диэлектрических слоях МДП-структур. Несмотря на то, что в настоящее время доминирующее положение в современной электронной промышленности занимают МДП-приборы на основе структур Si-SiO₂-металл, природа зарядовой нестабильности и электронных процессов, происходящих в МДП-структурах, в сильных электрических полях в условиях инжекции носителей, не получила своего полного объяснения, и ее изучение находится в постоянном развитии.

В настоящее время интенсивно развиваются методы модификации МДП-структур, использующие радиационные, ионно-плазменные и сильнополевые воздействия. Перспективным, прежде всего с точки зрения возможности применения в современном технологическом процессе, представляется метод инжекционной модификации МДП-структур, основанный на изменении зарядового состояния многослойного диэлектрика на основе SiO₂-ФСС, содержащего электронные ловушки, сильнополевой туннельной инжекцией электронов.

Имеющиеся экспериментальные и теоретические данные по изменению зарядового состояния МДП-структур на основе слоев SiO₂-ФСС относятся к структурам, имеющим различные параметры и полученным в разных технологических процессах, что не позволяет использовать в полной мере имеющиеся результаты для проведения инжекционной модификации в условиях конкретного производства. Поэтому возникает необходимость разработки метода инжекционной модификации, ориентированного на определенный технологический процесс и конкретные параметры многослойных диэлектрических слоев и полевых приборов на их основе.

Результаты проведенных исследований влияния радиационных и термополевых воздействий на характеристики МДП-структур указывают на перспективность применения термического отжига инжекционно модифицированных МДП-структур и приборов на их основе для увеличения их термополевой стабильности и ставит задачу определения возможности применения электронного облучения для заполнения электронных ловушек в многослойных диэлектрических слоях SiO₂-ФСС.

На основе проведенного анализа были определены основные цели и задачи работы.

Во второй главе описаны применяемые в диссертационной работе методы исследования и модификации МДП-структур. Одним из эффективных методов исследования зарядовых процессов в МДП-структурах является метод сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик постоянным током. Для определения параметров МДП-структур часто используется метод постоянного тока, основанный на измерении характеристик в процессе инжекции. Применение для инжекционной модификации МДП-структур, данного метода представляется наиболее перспективным, так как позволяет проводить измерение зарядовых параметров МДП-структур и инжекцию заряда в диэлектрик в рамках одного метода.

Показано, что для проведения инжекционной модификации МДП-структур при отработке технологии инжекционной модификации предпочтительно использовать классический метод постоянного тока, отличающийся простотой реализации и позволяющий контролировать в процессе инжекции заряда в диэлектрик как плотность инжектированного заряда, так и величину заряда накапливаемого в подзатворном диэлектрике.

Предложено использовать метод управляемой токовой нагрузки для исследования параметров инжекционно модифицированных мдп-структур, основанный на приложении к МДП-структуре многоуровневого токового воздействия и измерении временной зависимости падающего на ней напряжения, позволяющий в рамках одного метода без перекоммутации образца контролировать изменение зарядового состояния структуры в режиме заряда емкости и сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик. Таким образом, учёт процесса заряда ёмкости МДП-структуры, помимо повышения точности измерения параметров, определяемых в рамках данного метода, позволяет контролировать ряд новых параметров, значительно расширяя возможности и информативность метода.

Показано, что при исследовании МДП-структур в сильных электрических полях после воздействия радиационных излучений использование метода управляемой токовой нагрузки позволяет получить более полную информацию об изменении зарядового состояния инжекционно модифицированных многослойных диэлектрических слоев МДП-структур. Совместное применение инжекционных методов исследования МДП-структур и метода вольт-фарадных характеристик позволяет разделять и исследовать процессы изменения зарядового состояния инжеционно модифицированных МДП-структур на границе полупроводник диэлектрик и в объеме диэлектрической пленки.

Описаны экспериментальные установки, применяемые для инжекционной модификации и исследования инжекционно модифицированных диэлектрических слоев МДП-структур.

В третьей главе приведены результаты исследования процессов инжекционной модификации многослойных диэлектрических слоев МДП-структур. Были проведены исследования влияния режимов сильнополевой туннельной инжекции на зарядовое состояние МДП-структур при инжекционной модификации. Получены результаты экспериментальных исследований, направленные на обоснование выбора режимов сильнополевой туннельной инжекции при инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO₂-ФСС-Al, определен диапазон токовых воздействий и плотностей инжектированного в диэлектрик заряда. Показано, что плотность тока при инжекционной модификации должна находиться в пределах 10^-7ч10^-5 А/см², а плотность инжектированного в многослойный диэлектрик заряда целесообразно ограничить величиною 0,5 мКл/см². Инжекция заряда большей плотности приводит к незначительному увеличению термостабильной компоненты инжекционно стимулированого заряда, при существенном возрастании деградационных процессов в окисле.

В двухслойном диэлектрике SiO₂-ФСС в диапазоне плотностей токов j=10^-710^-5 А/см² наблюдается накопление отрицательного заряда. Кинетика изменения зарядового состояния МДП-структуры в этом случае определяется в основном величиной заряда, инжектированного в диэлектрик.

Было проведено исследование процессов стекания инжекционно стимулированного заряда в инжекционно модифицированных МДП-структурах при термических воздействиях. Установлено, что при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях отрицательный заряд, захватывающийся в пленке ФСС, содержит две компоненты. Первая стекает при температурах отжига до 200 С, а вторая - термостабильная часть заряда. Показано, что улучшение температурной стабильности инжекционно модифицированных МДП-структур может быть получено за счет проведения их отжига при температуре 200 С в течение 1 часа, в результате происходит стекание температурно нестабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда (рис. 1).

Рис. 1. Изменение напряжения плоских зон от времени, при температурах Т=100 ^оС и Т=200 ^оС на инжекционно модифицированных МДП-струкутрах Si-SiO₂-ФСС-Al при плотности инжектированного заряда 4,1·10^-4 Кл/см²

Установлено, что доля термостабильной компоненты составляет от 20 до 50 % инжекционно стимулированного заряда.

С использованием моделей зарядовой нестабильности МДП-систем Si-SiO₂-Al и Si-SiO₂-ФСС-Al исследовались процессы переноса заряда и зарядовой нестабильности на начальном этапе сильнополевой туннельной инжекции в условиях неравномерного протекания туннельного тока при инжекционной модификации. Определены допустимые значения параметров МДП-структур в дефектных областях при инжекционной модификации.

На рис. 2 (а) и (б) показаны зависимости степени увеличения плотности тока в области дефекта j_DМ в зависимости от плотности тока j₀ и толщины диэлектрика при высоте потенциального барьера Ф_B=2.8 эВ, для МДП-структур Si-SiO₂-ФСС-Al (а) и Si-SiO₂-Al (б) соответственно. Данные зависимости указывают на то, что в МДП-структурах Si-SiO₂-Al наблюдаются большие степени увеличения плотности тока в области дефекта по сравнению с Si-SiO₂-ФСС-Al. На основе анализа полученных в результате моделирования зависимостей токовых нагрузок в областях дефектов показано, что для толщин подзатворного диэлектрика 100 нм отклонения в областях дефектов таких параметров, как толщина диэлектрика и высота потенциального барьера не должны превышать ~10 % от номинальных.

Проведенный анализ результатов исследований процессов инжекционной модификации МДП-структур позволил предложить метод инжекционной модификации МДП-приборов и интегральных схем, применимый в условиях массового производства.

Предложенный метод инжекционной модификации зарядового состояния МДП-приборов и интегральных схем характеризуется следующими основными положениями:

- определены режимы токовых нагрузок (J=10^-7ч10^-5 А/см²), воздействие которых даёт возможность изменять зарядовое состояние диэлектрических плёнок, не приводя к необратимой деградации их электрофизических характеристик;

- по результатам экспериментальных исследований и моделирования выбран диапазон инжектированного заряда необходимого для модификации МДП-структур (Q=0,05ч0,5 мКл/см²);

- на основе исследования стекания инжекционно стимулированного заряда в зависимости от температуры выбраны температурные и временные режимы отжига, с целью получения термостабильной компоненты отрицательного заряда;

Рис. 2. Зависимости степени увеличения плотности тока в области дефекта j_DM/ j₀ от плотности тока j₀ и толщины диэлектрика T_OXD, при высоте потенциального барьера Ф_B=2.8 эВ:

(а) - Si-SiO₂-ФСС-Al; (б) - Si-SiO₂-Al

- определены допустимые значения параметров диэлектрических слоев в дефектных областях при инжекционной модификации.

Разработанные в работе подходы для определения режимов и параметров инжекционной модификации могут быть применимы и для МДП-структур с другими толщинами двуокиси кремния и ФСС.

В четвертой главе с целью выяснения возможностей использования электронного облучения для модификации зарядовых характеристик МДП-структур Si-SiO₂-ФСС-Al и определения радиационной стойкости термостабильной компоненты инжекционно стимулированного заряда, были проведены исследования влияния электронного облучения на МДП-структуры Si-SiO₂-Al, Si-SiO₂-ФСС-Al и инжекционно модифицированные структуры Si-SiO₂-ФСС-Al.

Для изучения влияния воздействия электронного облучения на характеристики полупроводниковых приборов, было проведено облучение МДП-структур электронами c энергией 2 МэВ, и током пучка I=50 мкА с флюенсом в диапазоне Ф=10¹²10¹⁴ см-². Оценка зарядового состояния МДП-структур проводилась с использованием C-V метода и метода управляемой токовой нагрузки, заключающегося в изменении амплитуды токового воздействия, прикладываемого к МДП-структуре по специальному алгоритму, и измерении временной зависимости напряжения на образце V_I(t).

В МДП-структурах с термическими пленками SiO₂ и SiO₂-ФСС наблюдаются существенные различия в процессах изменения зарядового состояния при электронном облучении. В структурах с термической пленкой SiO₂ происходит увеличение плотности поверхностных состояний с ростом флюенса облучения. Данный процесс характерен и для структур Si-SiO₂-ФСС-Al, однако, величина плотности поверхностных состояний для данных структур при том же флюенсе существенно ниже, чем для структур Si-SiO₂-Al. Одновременно с увеличением плотности поверхностных состояний в МДП-структурах Si-SiO₂-ФСС-Al наблюдается накопление отрицательного заряда в объеме диэлектрической пленки, а его величина пропорциональна флюенсу облучения. Сравнительный анализ МДП-структур Si-SiO₂-Al и Si-SiO₂-ФСС-Al показал, что последние имеют более высокую радиационную стойкость и характеризуются меньшей степенью деградации границы раздела Si-SiO₂.

Величина отрицательного заряда, накапливающегося в МДП-структурах Si-SiO₂-ФСС-Al под действием электронного облучения, существенно ниже, чем при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик, и данный заряд затруднительно использовать для модификации электрофизических характеристик данных структур (рис. 3).

(а)

(б)

Рис. 3. Высокочастотные С-V-характеристики (а) и временная зависимость изменения напряжения на МДП - структуре Si-SiO₂-ФСС-Al при токовой нагрузке J=10^-6 A/см² (б), после различных видов воздействий:

По-видимому, при электронном облучении с энергией электронов 2 МэВ в МДП-структурах наряду с процессами захвата электронов на электронные ловушки в ФСС существенную роль играют ионизационные процессы, приводящие к уменьшению плотности отрицательного заряда на ловушках.

Было проведено исследование влияния электронного облучения на термостабильную компоненту инжекционно модифицированных МДП-структур Si-SiO₂-ФСС-Al. Электронное облучение, как исходных МДП-структур, так и структур c инжекционно стимулированным зарядом приводит к увеличению плотности поверхностных состояний рис. 3 (а), которая возрастает с увеличением флюенса облучения. Установлено, что термостабильная компонента отрицательного инжекционно стимулированного заряда начинает интенсивно стекать под действием электронного облучения при флюенсах облучения более 10¹² см^-2, при которых начинается быстрый рост плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник и накопление положительного заряда в двуокиси кремния рис. 3 (б).

Таким образом, проведенные исследования позволили определить отличительные особенности процессов изменения зарядового состояния МДП-структур Si-SiO₂-Al и инжекционно модифицированных структур Si-SiO₂-ФСС-Al, изготовленных в одном технологическом процессе, при воздействии электронного облучения, сильнополевой туннельной инжекции, и оценить влияние электронного облучения на термостабильную компоненту инжекционно модифицированного заряда.

Проведен сравнительный анализ процессов зарядовых изменений МДП-структур при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях и электронном облучении. В результате проведенных исследований предложен метод имитационных испытаний радиационной стойкости МДП-структур, основанных на сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик.

Пятая глава посвящена разработке полевых приборов на основе инжекционно модифицированных слоев МДП-структур. Предложен способ изготовления МДП-транзистора с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией. В предложенном способе в качестве внешнего воздействия используют сильнополевую туннельную инжекцию. Применение сильнополевой инжекции заряда в подзатворный диэлектрик МДП-транзисторов, для коррекции их порогового напряжения, позволяет проводить индивидуальную подгонку порогового напряжения каждого МДП - транзистора.

После процесса металлизации у изготовленных МДП-транзисторов определяется величина подгонки порогового напряжения ДV₀ и затем выполняется подгонка порогового напряжения путем сильнополевой туннельной инжекции на величину ДV₀ ± ДV с последующим термическим отжигом, где знаки "+" и "-" - соответственно для n- и р- канальных МДП - транзисторов, ДV - величина изменения порогового напряжения при термическом отжиге.

В качестве подзатворного диэлектрика в разработанных МДП-транзисторах используют термическую пленку двуокиси кремния, пассивированную слоем ФСС. Термический отжиг пластин после сильнополевой инжекции проводят при 200ч250 С в течение 0,5ч1 часа. В результате удается создать в подзатворном диэлектрике требуемую плотность термостабильного отрицательного заряда, практически без изменения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик. Способ изготовления инжекционно модифицированных МДП-транзисторов защищен патентом РФ на изобретение № 2206141 от 10.06.2003.

Разработана конструкция и технология изготовления МДП-транзистора на основе инжекционно модифицированных слоев, реализующие указанный способ. В третьей главе были проведены исследования инжекционно модифицированных МДП-структур на основе подзатворного диэлектрика SiO₂ и SiO₂-ФСС и предложен метод инжекционной модификации МДП-структур Si-SiO₂-ФСС-Al в сильных электрических полях. Используя эти данные и способ изготовления МДП-транзистора с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией, описанный выше, был разработан МДП-транзистор с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией. Структура транзистора показана на рис. 4.

Рис. 4. Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа с инжекционным управлением пороговым напряжением

Для отработки конструкции, технологии и способа, была изготовлена опытная партия МДП-транзисторов с индуцированным каналом р-типа. Технология изготовления для МДП-транзистора с инжекционным управлением пороговым напряжением была разработана с использованием режимов изготовления интегральных микросхем 564 серии.

Разработанный метод модификации позволяет корректировать пороговое напряжение МДП-транзистора со структурой Si-SiO2-ФСС-Al и после установки кристалла в корпус интегральной микросхемы.

На основе проведенных экспериментальных исследований электрофизических параметров полученных МДП-транзисторов, была проведена разработка конструкции и топологии низковольтного слаботочного стабилизатора напряжения с параметрами, изменяемыми сильнополевой туннельной инжекцией, представленная на рис. 5, и изготовлена опытная партия приборов.