Гистерезис вольт-фарадных характеристик МОП-структур с поликремниевым затвором

ГИСТЕРЕЗИС ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОП-СТРУКТУР С ПОЛИКРЕМНИЕВЫМ ЗАТВОРОМ

Р.А. Халецкий

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.М. Скворцов

В работе приведены результаты исследования гистерезиса вольт-фарадных характеристик (ВФХ) МОП-структур с легированным поликремниевым затвором. Показано, что при формировании поликремниевого затвора появляется характерный гистерезис ВФХ структур кремний-окисел-поликремний, который связан с процессами релаксационной поляризации, обусловленными движением дефектов в окисле.

Введение

Метод вольт-фарадных характеристик (ВФХ) является наиболее распространенным методом исследования электрофизических свойств структур вида металл-окисел-полупроводник. С помощью метода ВФХ можно определить концентрацию различных видов заряда в подзатворном диэлектрике, плотность поверхностных состояний, концентрацию примеси в подложке [1]. При измерении ВФХ в некоторых случаях может наблюдаться дисторсионный эффект или гистерезис ВФХ, который заключается в появлении разности хода между прямой и обратной ветвями ВФХ [2].

Этому явлению почти не уделяется внимания в литературе, а его механизм остается плохо изученным. Целью настоящей работы является исследование гистерезиса ВФХ МОП-структур с поликремниевым затвором на различных этапах ее формирования структуры.

Постановка эксперимента

Экспериментальные образцы представляли собой структуры вида алюминий-поликремний-окисел-кремний, которые формировались следующим образом. Кремниевые пластины марки КЭФ 7,5 (100) подвергались термическому окислению в различных режимах, представленных в таблице. На окисленную поверхность пластин методом разложения моносилана в вакууме при 640°С осаждался слой поликристаллического кремния (Si ) толщиной 0,6 мкм. После легирования поликремниевой пленки фосфором методом термической диффузии в течение 1 ч при температуре 860°С проводились фотолитография в слое Si и окончательный термический отжиг при 860°С в течение 30 мин.

Для создания омических контактов термовакуумным напылением на обе стороны пластины был нанесен слой алюминия, в котором с помощью фотолитографии были сформированы контактные площадки. На рис. 1 показано сечение полученных структур, и далее в тексте они будут называться тестовыми структурами.

№ образца Толщина окисла, нм Продолжительность термического окисления, мин Температура окисления, °С

в сухом O2 в парах воды в сухом O2 суммарное время

1 80 10 100 10 120 850

2 120 10 18 10 38 1000

3 120 90 - - 90 1050

4 150 120 - - 120 1050

Таблица. Режимы термического окисления при получении окислов образцов

После окисления кремниевых пластин и после получения готовых тестовых структур проводилось измерение высокочастотных ВФХ. ВФХ измерялись в двух направлениях: прямом - из режима аккумуляции в режим инверсии (прямая ветвь ВФХ) и обратном - из режима инверсии в режим аккумуляции (обратная ветвь ВФХ).

Рис. 1. Сечение тестовых структур

На основе полученных ВФХ был определен сдвиг (гистерезис) Ди прямой ветви характеристики относительно обратной. Так как любой сдвиг ВФХ по оси напряжений относительно исходной ВФХ обусловлен изменением заряда в окисле, то сдвиг Ди также можно интерпретировать как появление заряда, обусловливающего гистерезис ВФХ.

Сдвиг Ди определялся при различных значениях емкости МОП-структур. Так как каждому значению высокочастотной емкости однозначно соответствует определенное значение поверхностного потенциала, то можно получить энергетическое распределение заряда Q, обусловливающего гистерезис, в запрещенной зоне кремния. При этом значение заряда Q было рассчитано по формуле

Q = СохДи,

где Сох - удельная емкость диэлектрика, Ф/см ; Ди - величина гистерезиса, В.

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 показано типичное энергетическое распределение заряда Q(Е), обусловливающего гистерезис ВФХ, в запрещенной зоне кремния для тестовых структур после окисления подложек (81-8102) и после формирования затворной композиции (81-810281 -А1). Характер и амплитуда изменения Q(Е) мало отличались (±20%) для образцов с одним типом структуры. Из представленных на рис. 2 графиков видно, что после получения затворной композиции происходит существенное изменение характера зависимости Q(Е), которое заключается в значительном снижении чувствительности заряда, обусловливающего гистерезис ВФХ, к изменению поверхностного потенциала подложки ф8 (ф8~Е), при этом знак этого заряда становится отрицательным по всей ширине запрещенной зоны кремния. Важно отметить, что вид зависимости Q(E), характерной для

. * . *

участков структуры 81-8102-81 -А1 со слоем 81 -А1 на 8102, является характерным и для участков без слоя 81 -А1.

С целью выявления причины, которая привела к изменению характера гистерезиса ВФХ, изображенного на рис. 2, был поставлен следующий эксперимент. Структуры 81-8102, полученные комбинированным окислением при 1000°С, были разделены на 3

группы, которые затем подвергались различным обработкам, соответствующим тем,

**

что использовались при получении пленки 81 в тестовых структурах 81-8102-81 -А1.

Рис. 2. Типичное энергетическое распределение заряда О, обусловливающего гистерезис ВФХ, на различных этапах изготовления тестовых структур

1-я группа подвергалась термообработке в режиме 640°С (1 ч) + 860°С (1,5 ч) в среде азота. В этом случае предполагалось исследование влияния только температурной составляющей процесса формирования поликремниевого затвора. Так, в работе [3] показано, что дополнительное длительное термическое воздействие при высокой температуре может приводить к изменению структурно-примесных свойств системы кремний-окисел.

. *

2-я группа подвергалась осаждению пленки и последующему ее удалению.

3-я группа подвергалась осаждению пленки , легированию фосфором при

. *

860°С в течение 1 ч и последующему стравливание слоя .

Для обработанных структур 81-8102 до и после обработки производилось измерение высокочастотных ВФХ, на основе которых строились графики зависимости заряда, обуславливающего гистерезис, от энергии.

В результате эксперимента было обнаружено, что изменение характера зависимости Q(E), подобное приведенному на рис. 2, происходит при нанесении пленки поликремния, ее легировании при 860°С в течение 1 ч и последующем стравливании (образцы 3-й группы).

При анализе причины влияния легирования поликремния на изменение Q(E) можно выделить два фактора.

Первый фактор - влияние фосфора. Оно заключается в том, что фосфор может накапливаться на границе раздела диоксид кремния-поликремний, приводя к образованию новой фазы 28Ю2-Р2О5 и изменению электрофизических свойств окисла [4, 5]. С другой стороны, гистерезис ВФХ связывается с некими ловушечными центрами вблизи внутренней границы раздела кремний-окисел [2], куда, по нашему мнению, проникновение фосфора (диффузия при температуре 860°С в течение 1 ч) маловероятно.

Второй фактор - влияние высокотемпературной обработки на электрофизические свойства окисла. В этом случае свойства окисла могут изменяться как вследствие изменения размеров зерен поликристаллической пленки [6], так и из-за проникновения водорода вглубь пленки диоксида кремния, приводя к образованию заряженных центров [7]. Вторая причина является наиболее вероятной для изменения характера гистерезиса.

Так как процессы диффузии водорода и изменения структуры поликристаллической пленки связаны с длительностью термической обработки, то был проведен следующий эксперимент. На структуры 81-Б102, полученные комбинированным окислением при 1000°С, был осажден поликристаллический кремний толщиной 0,6 мкм. После осаждения поликремниевой пленки образцы были разделены на группы, которые затем

подвергались отжигу при температуре 860°С в среде азота в течение разного времени: 0, 20, 40, 60, 90 мин. После отжига пленки поликремния стравливались.

В результате исследования экспериментальных образцов было обнаружено:

• операции нанесения пленки поликремния и ее последующего стравливания без дополнительных термообработок не приводят к изменению характера зависимости Q(E), свойственной окислу непосредственно после окисления;

• после отжига при 860°С в течение 20 мин наблюдается появление характерной для 81-8102-81*-А1 структуры энергетического распределения заряда, обусловливающего гистерезис (рис. 2);

• однако после 1,5-2 часов отжига наблюдается возврат к зависимости Q(E), свойственной для 81-8102, которая показана на рис. 2, только в 2-2,5 раза меньшей амплитуды.

Из рис. 2 видно, что заряд, который определяет гистерезис, может быть как положительным, так и отрицательным. Знак полярности этого заряда в нашем случае определяется знаком выражения Ди=ипрям-иобр, который в равной мере может быть рассчитан как Ди= иобр-ипрям. То обстоятельство, что гистерезис Ди был рассчитан относительно прямой ветви ВФХ, обусловлено тем, что при дискретном приложении различных напряжений смещения к затвору тестовых структур, уровни измеряемой емкости соответствовали значениям прямой ветви ВФХ, а обратная ветвь формировалась только при развертке напряжения смещения в обратном направлении.

С

Рис. 3. Схематичное представление перехода между ветвями ВФХ при изменении направления развертки напряжения смещения

На рис. 3 схематично показаны типичная ВФХ тестовых структур, измеренная в двух направлениях, и характер перехода от прямой ветви ВФХ к обратной (и наоборот) при смене направления развертки напряжения смещения на затворе в интервале наклонного участка ВФХ. Точками на рис. 3 отмечены моменты, в которых выключалась развертка напряжения смещения и затем снова включалась в обратном направлении. Стрелками на рис. 3 показаны направления изменения напряжения смещения. Из рис. 3 видно, что изменение направления развертки напряжения на затворе приводит к появлению гистерезиса. Следовательно, гистерезис или сдвиг прямой ветви ВФХ относительно обратной зависит не от величины и знака приложенного напряжения, а от знака его изменения, т.е. знака производной ёи/&.

Производная ёи/ё прямо пропорциональна производной электрического поля по времени ёЕ/Ж. В свою очередь, согласно [8], поляризация диэлектрика Р связана с электрическим полем соотношением: Р=£б(Е,

где к - относительная диэлектрическая восприимчивость, 80 - электрическая постоянная, Е - напряженность электрического поля. Если производная ёР/ё, а, следовательно, и ёЕ/ё,

существует и не равна нулю, то это означает, что в диэлектрике протекает ток поляризации, обусловленный некоторым упорядоченным движением связанных зарядов.

Таким образом, одновременно с основным процессом поляризации окисла происходит релаксационная поляризация, обусловленная, по-видимому, движением заряженных дефектов в диоксиде кремния. При изменении направления вектора напряженности происходит деформация электронных оболочек дефектов (электронная поляризация), а затем перемещение дефектов в направлении границы раздела Si-SiO2 или от нее, что создает релаксационный ток поляризации или релаксационную поляризацию, вызывая гистерезис ВФХ тестовых структур. Изменение поверхностного потенциала кремния Ä9S определяется полем Е, наводимым зарядом Q на дефектах, а также их перемещением Ar, вызванным процессом латентной поляризации в окисле, согласно уравнению: Аф^Е/Ат. При этом зависимость Q(E) (рис. 2) следует интерпретировать как соответствующее этому заряду индуцированное в полупроводнике электрическое поле.

Необходимо отметить, что гистерезис ВФХ тестовых структур, наблюдаемый после формирования подзатворного окисла, отличается по характеру появления от гистерезиса ВФХ готовых тестовых структур. Это отличие заключается в том, что обратная ветвь ВФХ тестовых структур после этапа термического окисления формируется только при изменении направления развертки напряжения смещения на пологих участках ВФХ. Такое свойство гистерезиса ВФХ обусловлено способностью ловушечных центров в приграничной к кремнию области окисла обмениваться носителями заряда с подложкой [2].

Заключение

Процесс формирования поликремниевого затвора вызывает появление характерного гистерезиса ВФХ, отличающегося по своей природе от гистерезиса, обусловленного наличием ловушечных центров. При этом природа этого гистерезиса связана с релаксационными эффектами процесса диэлектрической поляризации диоксида кремния, которые возникают вследствие термической обработки структуры кремний-двуокись кремния-поликремний. Для более полного понимания природы гистерезисных эффектов и ее связи со структурой пленки подзатворного окисла требуются дополнительные исследования.

Литература

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Мир, 1984. 455 с.

2. Fleetwood D.M., Reber Jr. R.A., Riewe L.C., Winokur P.S. Thermally stimulated current in SiO2.// Microelectronics Reliability, 1999, vol. 39, Р. 1323-1336.

3. Красников Г.Я., Зайцев Н.А. Система кремний-диоксид кремния субмикронных СБИС. М.: Техносфера, 2003. 384 с.

4. Bravman J.C., Sinclair R. The Morphology of the polysilicon-SiO2 interface. // Thin films and interface. 2 Symp. Boston, Mass., 14-18 Nov. 1983. New York. 1984. Р. 311-316.

5. Howe K.T., Muller R.S. Stress in polycrystalline and amorphous silicon thin films. // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 8. Р. 4674-4675.

6. Глебов А.С., Зайцев Н.А., Манжа Н.М. Снижение величины эффективного заряда в МДП-структурах. // Электронная промышленность. 1994. № 1. С. 71-72.

7. Урицкий В.Я. Формирование и электрофизические характеристики многослойных структур на основе системы кремний-диоксид кремния: Диссертация на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 1995. 341 с.

8. Геворкян Р.Г. Курс физики: учебное пособие. М.: Высш. школа, 1979. 656 с.