Влияние электрофизических параметров кремниевой подложки на гистерезис вольт-фарадных характеристик МОП-структур

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКИ НА ГИСТЕРЕЗИС ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОП-СТРУКТУР

Р.А. Халецкий

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

В работе приведены результаты исследования гистерезиса ВФХ структур металл-окисел-полупроводник. Показано, что свойства гистерезиса ВФХ, возникающего при облучении МОП-структур, определяются типом проводимости подложки и его удельным сопротивлением и обусловлены процессами захвата носителей заряда из разрешенных энергетических зон кремния на ловушечные центры в окисле.

Введение

Диоксид кремния является наиболее распространенным материалом подзатворно-го диэлектрика интегральных микросхем (ИС) на основе системы металл-диэлектрик-полупроводник, а его электрофизические свойства в значительной мере определяют электрические параметры и стабильность работы МОП ИС. Заключение о качестве сформированного подзатворного окисла делают, как правило, на основе анализа вольт-фарадной характеристики (ВФХ). При этом из ВФХ рассчитывают плотность встроенного заряда в окисле и плотность поверхностных состояний на границе раздела кремний-окисел.

При исследовании ВФХ МОП-структур, подвергнутых воздействию ионизирующего излучения, может наблюдаться гистерезис ВФХ, сущность которого заключается в появлении сдвига прямой ветви ВФХ относительно обратной ветви [1, 2]. Гистерезис ВФХ может привести к сбою в работе МОП ИС во время переключения МОП-транзистора из одного режима в другой.

При исследовании ВФХ МОП-структур гистерезису почти не уделяется внимания, поэтому его свойства и природа возникновения остаются плохо изученными. Целью настоящей работы явилось исследование влияния типа проводимости полупроводниковой подложки МОП-структур на гистерезис ВФХ.

Постановка эксперимента

Экспериментальные образцы представляли собой МОП-структуры, полученные термическим окислением кремниевых пластин двух марок, отличающихся типом проводимости: КДБ 1 (100) и КЭФ 7,5 (100). Термическое окисление проводилось комбинированным методом сухой О2-влажный О2-сухой О2 при температуре 1000°С, толщина слоев сформированных окислов составляла 0,12 мкм. После термического окисления на поверхность БЮ2 был нанесен алюминий. Для получения контактных площадок в слое А1 была проведена фотолитография, после чего сформированные структуры отжигались при температуре 450оС в течение 10 мин в среде К2.

Экспериментальные структуры были подвергнуты воздействию гамма-излучения,

г^ 60

в качестве источника которого использовался Со с энергией генерируемых гамма-квантов 1,3 МэВ и мощностью 0,24 Мрад/ч. До и после облучения проводилось измерение высокочастотных ВФХ.

Результаты и их обсуждение

На рисунке схематично показаны характерные для экспериментальных структур ВФХ с наблюдаемым гистерезисом. На рис. также приведены кривые, характеризующие гистерезис ВФХ, которые представляют собой разность между прямой и обратной

ветвями. Необходимо отметить, что у необлученных образцов также наблюдался гистерезис ВФХ. Из рис. видно, что для необлученных МОП-структур на п-кремнии прямая ветвь ВФХ сдвинута левее обратной, а в случае МОП-структур на основе р-Б1 прямая ветвь сдвинута правее обратной.

Для МОП-структур на кремнии р-

До облучения С После С

Рис. Характерные ВФХ экспериментальных МОП-структур до и после

гамма-облучения

Под действием гамма-излучения происходит изменение ВФХ МОП-структур. При этом после облучения дозой 0,5 Мрад МОП-структур на основе р-Б1 наблюдается уменьшение сдвига между прямой и обратной ветвями ВФХ. Увеличение дозы облучения МОП-структур на основе дырочного кремния до 25 Мрад приводит к изменению в расположении прямой и обратной ветвей ВФХ относительно друг друга. В то же время для структур на основе п-Б1 уже после облучения дозой 0,5 Мрад наблюдается изменение в расположении прямой и обратной ветвей относительно друг друга. Такая различная чувствительность гистерезиса к дозе облучения для МОП-структур на основе дырочного и электронного кремния обусловлена, по-видимому, различием в значениях удельного сопротивления подложки. Это связано с тем, что увеличение удельного сопротивления в кремнии приводит к увеличению влияния зарядов в диоксиде кремния на изгиб энергетических зон в подложке. Таким образом, заряд на ловушках, образованный при облучении и обусловливающий гистерезис ВФХ [1], вызывает наибольшие изменения гистерезиса ВФХ в МОП-структурах с наибольшим значением удельного сопротивления подложки.

Сдвиг обратной ветви ВФХ относительно прямой можно интерпретировать как появление дополнительного заряда в окисле, вызвавшего этот сдвиг. Направление и величина сдвига соответствуют знаку и значению этого заряда в окисле, соответственно.

Таким образом, знак заряда, вызывающего появление гистерезиса, в случае ВФХ до облучения соответствует полярности основных носителей заряда, а в случае ВФХ, снятых после радиационной обработки, - полярности неосновных носителей заряда. Это обстоятельство позволяет сделать предположение о различной природе гистерезиса ВФХ, который наблюдается при измерении ВФХ МОП-структур до и после облучения.

Объяснить гистерезис ВФХ, вызванный гамма-излучением, можно следующим образом. При облучении в пленках двуокиси кремния в приграничной к границе раздела кремний-окисел генерируются структурные дефекты [1]. Эти дефекты играют роль ловушечных центров захвата носителей заряда, энергетические уровни которых располагаются в диоксиде кремния в интервале, соответствующем интервалу энергий в близи середины запрещенной зоны кремния. Такое энергетическое положение определяется способностью генерируемых ловушечных центров захватывать носители заряда обоих знаков.

Для объяснения механизма появления гистерезиса ВФХ, возникающего при облучении МОП-структур, была предложена следующая схема заряжения и разряжения ло-вушечных центров, ответственных за гистерезис. На начальном этапе измерения ВФХ МОП-структуры на основе n-Si, что соответствует режиму аккумуляции основных носителей заряда - электронов, ловушечные центры захватывают электроны вследствие их туннелирования из зоны проводимости (ЗП) кремния. В режиме инверсии ловушеч-ные центры выбрасывают электроны в валентную зону (ВЗ) полупроводника, что равносильно захвату дырок из ВЗ. Поэтому при изменении направления развертки напряжения смещения обратная ветвь идет левее прямой. При достижении режима обогащения эти центры вновь захватывают электроны из ЗП. Подобная схема действует и для МОП-структуры на кремнии p-типа, однако в этом случае в режиме обогащения источником дырок служит ВЗ, а ЗП в режиме инверсии поставляет электроны.

Заключение

Таким образом, гистерезис ВФХ, который появляется при облучении МОП-структур, обусловлен появлением ловушечных центров в диоксиде кремния в приграничной к кремнию области. Ловушечные центры обладают способностью обмениваться носителями заряда с подложкой. При этом степень влияния заряда ловушечных центров на изгиб зон кремния определяется удельным сопротивлением кремния, а знак этого заряда определяется полярностью неосновных носителей заряда в подложке. Следует отметить, что гистерезис, который наблюдается до облучения, отличается по своим свойствам от «радиационного» гистерезиса, и для выявления механизма его образования необходимы дополнительные исследования.

Литература

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

2. Скворцов А.М., Соколов В.И., Халецкий Р.А., Шамарин П.А. Особенности радиационной деградации системы кремний-окисел, полученной в различных технологических условиях с участием хлора. // Микроэлектроника и информатика - 2004. 11-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2004. С. 26.