Методическое пособие 277

Поперечные сечения захвата дырок варьировались между 10–13–10–14 см-2 и плотность ловушек – между 1012–1013

см-2. Лавинная инжекция дырок также наблюдалась в работе /23/, где использовалась импульсы линейно нарастающего напряжения.

В рассмотренных работах выявлены следующие эффекты зарядки окисла при прохождении через него тока: накопление отрицательного заряда в объеме окисла на уже существующие ловушки, генерацию новых электронных ловушек и их зарядку сразу же после образования, эффект образования аномального положительного заряда в окисле, генерацию поверхностных состояний.

Эффект аномального положительного заряда можно объяснить генерацией электронно-дырочных пар, и захватом дырок на ловушки в окисле. Согласно последним данным горячие электроны, разогреваясь в поле окисла при переходе границы анода выбивают электронно-дырочные пары из материала анода, дырки проникают в окисел и создают положительный заряд и способствуют образованию поверхностных состояний. Это доказывает корреляция между работами выхо-

41

да металлов анода с величиной положительного заряда в окисле /20/. В таблице 1 представлены сводные данные по инжек-

lg t

Рис. 1.4. Кинетика сдвига напряжения плоских зон

ции горячих носителей в окисел.

Рисунок 1.4. показывает примеры зависимости сдвига напряжения плоских зон от инжектируемого в окисел заряда.

42

При инжекции Фаулера-Нордгейма происходит инжекция электронов из затвора при отрицательном напряжении на нем и из подложки при положительном напряжении на затворе. Тип подложки практически не влияет на накопление заряда в окисле. При туннельной инжекции происходит инжекция электронов из подложки p-типа при положительном напряжении на затворе или дырок из подложки n-типа при отрицательном напряжении на затворе. Происходит захват либо электронов, либо дырок на ловушки в окисле. Аномальный положительный заряд в окисле зависит от работы выхода материала анода, куда входят горячие электроны. Количество ловушек в окисле, определяющее накопление заряда, а также образование аномального положительного заряда зависит от технологии получения МОП структур.

Ионизирующая радиация. При ионизирующей радиации образуются электронно-дырочные пары, электроны быстро покидают окисел, а дырки захватываются ловушками в окисле, что приводит к сдвигу напряжения плоских зон. Во всех случаях обнаруживаются дефекты окисла. После экспозиции окисленного кремния электромагнитной радиацией с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны (9 эВ) наблюдаются следующие эффекты /26/.

Окисел становится положительно заряженным из-за захвата дырок вблизи поверхности Si–SiO2 после генерации электронно-дырочных пар. Также, плотность поверхностных состояний возрастает. Окисный заряд и поверхностные состояния легко отжигаются при температуре около 400 С. В конце, в течение облучения нейтральные электронные ловушки генерируются в объеме окисла. Они требуют температуры отжига выше 550 С для удаления.

Влияние технологии. Существует три типа технологических операций, которые имеют отличное от других влияние на характеристики процесса захвата в окисле. Это – имплантация через окисел и диффузия в окисел примесей As и P, использование ионизирующей радиации и применение высокотемпературного отжига.

43

Известно, что существует прямая связь между условиями технологических операций и структурой дефектов окисла. Во многих случаях эти дефекты функционируют как центры захвата для электронов и дырок. Обычные примеси, внедряемые в окисел, являются теми же самыми как и в легировании истока, стока и области канала и пленки поли-Si затвора, а именно As, P,В . Показано /26/, что имплантация As+ производит амфотерные центры. Подобное поведение сообщено для P+ имплантированных образцов, только поперечное сечение меньше в этом случае. Имплантация B+ не дает увеличения электрически активных центров в окисле.

Показано /26/, что эффективность захвата для электронов растет на более порядка величины, когда сравниваются приборы с металлическим затвором, полученные электроннолучевой литографией, с приборами тех же самых размеров, полученными оптической фотолитографией. Использование электронного облучения резистов с улучшенной чувствительностью позволит снизить радиационную дозу и посредством этого уменьшить повреждения.

Оборванные связи кислорода призваны для объяснения захвата электронов в окислах, изготовленных при наличии хлора. Наличие HCl индуцирует меньшую плотность поверхностных состояний и более слабую эффективность захвата в

SiO2 /3/.

Высокотемпературный отжиг в N2 или Ar вызывает развитие мелких электронных ловушек /26/. После отжига при 1000 ºС в нейтральной среде концентрация глубоких связанных с водой электронных ловушек сильно уменьшается, в то же время концентрация дырочных ловушек растет, при этом уменьшается образование положительного заряда. Применение операции отжига в нейтральной среде важно для уменьшения фиксированного заряда. В идеале, должна использоваться для этой обработки температура близкая к 1000 ºС. Тем не менее, важно избежать дефицита кислорода в пленках. К концу отжига в N2 следует краткая обработка в O2.

44

Поли-Si и подобная полицидная технология имеет преимущества, поскольку во время осаждения затвора эффективно удаляются связанные с водой ловушки. Также эта технология позволяет отжечь радиационно индуцированные нейтральные ловушки. Но введение слоя силицида поверх поли-Si индуцирует дополнительные механические напряжения в МОП системе. Это делает систему более подверженной генерации поверхностных (и возможно также объемных) состояний после взаимодействия с инжектированными носителями. Отжиг при 950 ºС в сухом Ar подавляет генерацию положительного заряда и уменьшает электронный захват /25/.

Экспериментальные результаты показывают /15/, что в большей степени отрицательно заряженные ловушки генерируются во влажном окисле, чем в сухом.

Плотность медленных состояний увеличивается при низкотемпературном отжиге в кислороде /17/. Кислород можно рассматривать как возможный источник медленных состояний.

Так как образцы без послеокислительного отжига имеют больше частиц, связанных с водой, чем образцы с послеокислительным отжигом, от первых ожидается более высокая интенсивность генерации электронных ловушек и поверхностных состояний. Действительно, это имеет место /15/.

Наименьшая интенсивность захвата наблюдалась /16/ в сухих образцах с послеметаллизационным отжигом. Влияние такого отжига больше для сухих образцов и меньше для влажных.

В структурах с поликремниевым затвором аномальный эффект по данным работы /16/ отсутствует. Для такой технологии характерна высокая температура ( 900 С), которая может уменьшить концентрацию воды в структуре.

Положительный C-V-cдвиг /5/ указывает на отрицательный заряд в окисле. С-V-сдвиги больше, чем сдвиги кривой Фаулера-Нордгейма, это показывает, что заряд расположен очень близко к границе раздела Si–SiO2. Влияние технологии показывает в этом случае, что окислы с и без HCl дают

45

подобные характеристики захвата. Отжиг до и после металлизации при 400 оС уменьшает захват в три раза. Вероятность захвата растет с толщиной окисла. Это вызвано в большей степени ростом сечения захвата, чем концентрации. Захваченный заряд отжигается частично в форминг-газе, причем сильнее при увеличении температуры до 400 оС.

При той же самой плотности потока инжектированных электронов генерация поверхностных состояний существенно уменьшается в ультрасухих окислах /17/.

В работе /18/ сообщается о влиянии технологии на генерацию трех типов донороподобных ловушек: объемных компенсирующих доноров, донороподобных ловушек аномального эффекта положительного заряда и пиков поверхностных донорных состояний в МОП структурах с алюминиевым затвором на р-кремнии, легированном бором. Дано экспериментальное доказательство связи трех типов ловушек с водой. Близкая корреляция их кинетик генерации и отжига предполагает, что они могут быть результатом присутствия связанных с водой подвижных частиц примеси, таких как атомарный водород, освобождаемый в результате лавинной инжекции горячих электронов.

Авторы наблюдали /19/ как в сухих, так и во влажных окислах МОП структур с алюминиевым электродом аномальное поведение напряжения плоских зон, которое заключается в изменении направления сдвига кривой, показывающей накопление отрицательного заряда при лавинной инжекции электронов, в сторону накопления положительного заряда. Вода усиливает оба процесса накопления.

МОП структуры p-типа с сухим окислом и с поликремниевым затвором, легированным бором, подвергались лавинной инжекции при воздействии прямоугольных импульсов /25/. Послеокислительный отжиг в сухом аргоне при 1000 С существенно уменьшает электронный захват. Величина аномального положительного заряда также ниже. Подобные результаты получены для структур с алюминиевым затвором.

46

Образцы с алюминиевым затвором имеют больший положительный заряд и также больший отрицательный заряд, чем структуры с поликремниевым затвором /25/.

В настоящее время выявлены основные закономерности деградации МОП структур при инжекции носителей в сильных полях и ионизирующей радиации. Нет единой точки зрения на механизм образования отрицательного и положительного заряда и на физическую природу заряженных центров, существуют определенные противоречия в результатах опытов и их интерпретации. С практической точки зрения важно минимизировать концентрацию центров захвата путем различных технологических операций и учесть эти эффекты при проектировании интегральных схем субмикронного диапазона.

1.4 Методика определения параметров ловушечных центров в диэлектрике МДП структур

В результате захвата происходит изменение напряжения плоских зон VFB. В предположении, что концентрация ловушек неизменна и захват определяется кинетикой первого порядка, изменение VFB может быть записано как /27/

электрическая проницаемость вакуума; – относительная диэлектрическая проницаемость окисла; N – количество типов ловушек; n0i – эффективная плотность данного типа ловушек, см–2; i – сечение захвата данного типа ловушек, см2; j – плотность тока, А/см2; t – время инжекции, с.

Расчет по (28) при известных параметрах ловушек не вызывает трудности. Однако часто возникает необходимость определения параметров центров захвата: их количества, эффективной плотности, сечения захвата. Источником входных данных служит экспериментальная кривая, отражающая зависимость сдвига напряжения плоских зон от времени инжекции

47

Начало

Ввод исходных данных

Генерация N 100

случайных пар N=N+1

n0i и i

нет

Печать N пар ловушек, n0i и i

Останов

Рис. 1.5. Схема алгоритма

при данной постоянной плотности тока j, протекающего через структуру.

48

Используемый на практике метод обработки результатов экспериментально определяемой зависимости VFB=f(t) очень громоздок и заключается в численном дифференцировании кривой VFB(t) и построении новой зависимости в координатах ln(d VFB/dt)=f(t), откуда из прямого участка определяют по наклону и пересечению с осью ординат параметры n0i и i /28/ для центра с наименьшим сечением захвата. Затем из кривой сдвига напряжения плоских зон вычитается вклад первого центра захвата.

Далее процесс повторяется до достижения заданной точности измерения напряжения плоских зон. Сложность данной процедуры определяется необходимостью численного дифференцирования экспериментальной кривой, а значит, ее аппроксимации сглаживающими функциями. Это вносит определенную трудность и некоторую Это вносит определенную трудность и некоторую погрешность в определение параметров центров захвата. В предлагаемом методе сначала задаемся количеством слагаемых в уравнении (28) равном одному, т. е. N=1. В процессе аппроксимации происходит оптимизация параметров n0i и i по методу наименьших квадратов. Таким образом находится локальный минимум и запоминаются n0i и i. В программе установлен генератор квазислучайных чисел, который выдает N 100 значений n0i и i – они являются исходными и вблизи них ищется локальный минимум. Из локальных минимумов выбирается глобальный минимум и запоминаются N, n0i и i. На следующем этапе количество слагаемых в уравнении (1) увеличивается на единицу и происходит оптимизация параметров. Далее определяется вклад наименьшего из слагаемых в (1) по сравнению с погрешностью эксперимента.

В приведенном алгоритме критерием оптимального выбора ловушек является присутствие во вновь рассчитанной аппроксимирующей кривой, описываемой уравнением (1) при N=2 таких n0i и i, что соответствующее им слагаемое суммы,

где t=tполн – полное время эксперимента, будет меньше или равно погрешности измерений 2 при N=2. Если этот вклад меньше погрешности, мы возвращаемся к предыдущим значе-

ниям N, n0i, i.

Это и будут параметры ловушек. Если это условие не выполняется, то запоминаются новые рассчитанные значения и вновь N увеличивается на единицу, а вся процедура повторяется до тех пор, пока не будет найдено оптимальное количество видов ловушек. Схема алгоритма представлена на рисун-

ке 1.5.

Оптимизация проводится методом циклического покоординатного спуска, при котором задача минимизации функции одной переменной находится методом деления отрезков пополам /29/. Был проведен численный эксперимент, при котором исходными данными для нашей задачи являлась рассчитанная зависимость сдвига напряжения плоских зон от времени лавинной инжекции по (28) для двух ловушек.

В задаче минимизации устанавливалась относительная точность при вычислении n0i и i, равной 10–4, а для сдвига напряжения плоских зон абсолютная точность 10–4 В. В результате для двух ловушек машинное время равно 15 мин для персонального компьютера IBM с процессором Pentium. Относительная погрешность результатов расчета параметров n0i и i не превышает 10 %.

2 Электрическая нестабильность и пробой тонких диэлектрических пленок

2.1 Механизмы пробоя тонких диэлектрических пленок Исторически диэлектрический пробой в изоляторе рассматривался прежде всего как электрический лавинный пробой, при котором электрическое поле достигнет таких значений, что происходит лавинное размножение носителей. Теория лавинного пробоя была способна объяснить относительно ограниченные результаты, главным образом относящиеся к пробою щелочногалоидных кристаллов. Однако значение явлений

возмущения поля во время пробоя не было понятно до тех пор,

50

пока O'Двайер /30/ не предложил модель, в которой учитывается влияние дырок на начальной стадии пробоя. Модель O'Двайера приводила к нестабильности типа отрицательного сопротивления. Согласно этой модели электроны, инжектированные из катода в результате полевой эмиссии, ускоряются настолько, что способны производить ударную ионизацию; при этом медленно движущиеся дырки остаются сзади, вызывая увеличение катодного поля, которое приводит к увеличению инжекционного тока и так до пробоя. Отрицательное сопротивление в этой схеме возникает в результате действия положительной обратной связи. 53

Модель O'Двайера позволила преодолеть несколько трудностей в теории лавинной ионизации, так как она объясняет низкую скорость ионизации, измеренную в изоляторах вблизи пробивного поля и предсказывает нестабильность типа отрицательного сопротивления, которая невозможна в простом лавинном процессе. Дальнейшее развитие модели было направлено на уточнение некоторых деталей в начальной стадии пробоя. Модель O'Двайера характеризует довольно хорошо пробой в полупроводниках и некоторых диэлектриках, но не может быть непосредственно применена к диэлектрическим пленкам, таким как SiO2, в которых подвижность дырок экстремально мала, так что дырки удаляются преимущественно рекомбинацией, а не дрейфом.

В работе /31/ предложена модель, основанная на ударной ионизации и возмущении поля, которая применяется для описания процесса пробоя в пленках SiO2, где дырки относительно неподвижны. Физическая сущность модели заключается в следующем.

Электроны, инжектируемые полевой эмиссией из катода, ускоряются электрическим полем и рассеиваются путем эмиссии фононов. Небольшая часть этих электронов создает электронно-дырочные пары, когда они достигают энергии ионизации, которая в два раза превышает ширину запрещенной зоны (Еg=9 эВ), оставляя сзади относительно неподвижные положительные заряды. Дырки удаляются в большинстве сво-

51

ем путем рекомбинации, дрейф дырок играет незначительную роль в развитии пробоя. Результирующее положительно заряженное облако приводит к увеличению тока более энергичных электронов. Как следствие, развивается нестабильность отрицательного сопротивления; в этом случае необходима независимая от координаты скорость ионизации, чтобы обеспечить обратную связь, существенную для отрицательного сопротивления.

Существуют две принципиальные разницы между последней моделью и моделью O'Двайера: доминирование процесса рекомбинации в удалении дырок из области зарядов и включение нелокальной скорости ударной ионизации. Хотя физическая реальность лежит между двумя крайностями - аннигиляцией дырок путем рекомбинации и удалении дрейфом, авторы считают, что модель, основанная на рекомбинации, лучше описывает проблему пробоев SiO2. Модель ударной ио- низации-рекомбинации, основанная на недавно экспериментально определенных параметрах материала, способна объяснить зависимость диэлектричечского пробоя в тонких пленках SiO2 от толщины, типа электрода, радиации. Модель чувствительна только к двум основным параметрам: ширине запрещенной зоны изолятора и длине электрон-фононного рассеивания. Подвижность дырок является незначительным фактором в развитии пробоя для эффективных подвижностей меньших, чем 10–8 см2/(В c).

2.2. Времязависимый пробой тонких термически выращенных пленок SiO2

Уменьшение толщины окисла является необходимым условием для улучшения характеристик будущего поколения интегральных микросхем на основе МОП-приборов. Прочность SiO2 является, следовательно, важнейшей проблемой. В частности, пробой тонкого затворного диэлектрика является основной причиной отказов, особенно для СБИС ОЗУ.

Кроме того, разрушение очень тонкого туннельного диэлектрика в энергонезависимых схемах с электрической запи-

52

сью/стиранием информации является принципиальной причиной отказов этих схем. Необходимо хорошее понимание физических эффектов, возникающих от приложения больших электрических полей к тонким окислам.

В работе /32/ сообщаются результаты по пробою тонкого (7,9–32 нм) затворного SiO2, который подвергался воздействию высоких полей и высоких токов. Обычный пробой обусловлен накоплением захваченных дырок вблизи инжектирующей поверхности, которое приводит к образованию локализованных областей с высокими значениями напряженности поля и плотности тока.

Концептуально процесс времязависимого пробоя диэлектрика может быть разделен на две стадии. На первой стадии в результате захвата зарядов формируются локализованные области высоких полей и плотностей тока. Как только плотность тока или поле достигнут критической величины, начинается стадия быстрого разрушения, во время которой развиваются добавочные электрические и термические процессы, приводящие к пробою.

Время, необходимое для того, чтобы завершить стадию формирования областей, может быть значительно сокращено, если в окисле присутствуют дефекты. Например, загрязнение натрием может значительно ускорить процесс пробоя и загрязнения, присутствующие на поверхности кремния перед окислением, как было показано в /33, 34/, являются источниками локальных дефектов окисла. Также кристаллические дефекты на кремниевой подложке, такие как дефекты упаковки, могут сократить срок службы окисла /35/.

Известные методики исследования пробоя тонких диэлектрических пленок можно разделить на несколько групп:

-пробой при постоянном инжектируемом токе; пробой при постоянном приложенном напряжении;

-пробой при ступенчатоизменяющемся напряжении на структуре;

-пробой при линейноизменяющемся напряжении на структуре. В первой группе осуществляется инжекция посто-

53

янного тока в диэлектрик и регистрируется изменение напряжения на структуре, необходимое для поддержания заданной плотности тока. Этот тип испытаний имитирует условия работы энергонезависимой памяти, которая основана на туннелировании носителей в плавающий затвор. Напряжение на затворе увеличивается со временем до момента пробоя, при котором напряжение на затворе внезапно уменьшается до величины нескольких вольт. Не существует каких-либо разногласий в использовании этого критерия для определения времени пробоя. Увеличение напряжения, необходимого для поддержания постоянной плотности тока, обусловлено захватом электронов в SiO2 /36/. Кроме того, происходит генерация ловушек как результат воздействия сильного электрического поля. Эта генерация ловушек объясняет отсутствие эффекта насыщения напряжения на затворе со временем. Таким образом, захват электронов осуществляется на протяжении всей стадии формирования.

Было бы естественным прийти к заключению, что пробой окисла является результатом электронного захвата. Однако были представлены доказательства генерации положительного заряда в процессе высокополевых испытаний /37/. Обычно, в модели ударной ионизации процесс пробоя является результатом нестабильности тока, обусловленной увеличением поля на катоде в результате генерации дырок в окисле через механизм ударной ионизации. Стандартным параметром для характеристики пробоя, обусловленного инжекцией заряда, является "заряд до пробоя" QBD, Кл/см2, определяемый соотношением

пробоя, т. е. время до завершения стадии формирования, с. Вольтамперная характеристика (I–V) пробоя в SiO2

описывается уравнением Фаулера-Нордгейма

54

где Ec – электрическое поле на катоде; А и В – параметры, зависящие от эффективной массы электрона и высоты барьера на катоде. В частности, В определяется как

зависит от Eс. Анализ I–V и С–V-характеристик образцов показывает, что имеет место локальное усиление напряженности электрического поля вблизи катодной поверхности. Это усиление поля имеет решающее влияние на пробой и обусловлено захватом положительного заряда в локализованных областях. Когда локальная плотность тока увеличивается до критической величины, развивается лавинный процесс, приводящий к разрушению диэлектрика.

Наиболее вероятным источником этого положительного заряда являются дырки, генерируемые в процессе ударной ионизации в SiO2. Это заключение основывается на подобии характеристик захвата и отжига положительного заряда с теми, которые наблюдаются в радиационных экспериментах. В ряде работ были получены дополнительные доказательства ударной ионизации в SiO2 и, фактически, высокополевая инжекция, приводящая к захвату положительного заряда, была предложена как нерадиационный метод оценки радиационной чувствительности MOП-структур электрическими измерениями.

Модель пробоя, представленная в работе /32/, подобна модели ударной ионизации, рассмотренной ранее /30/. Существуют, однако, несколько важных отличий. Прежде всего, предыдущие модели не включали эффекты захвата электронов и генерации ловушек, хотя в работе /32/ захват электронов как причина пробоя отклоняется, нельзя пренебречь влиянием за-

55

хвата электронов на внутреннее поле окисла. Захват электронов снижает поле на катоде в случае испытаний при постоянном напряжении, что, в свою очередь, снижает ток, приводя к эффекту отрицательной обратной связи. В предыдущих моделях рассматривалась только рекомбинация некоторых генерированных дырок с инжектированными электронами как средство ограничения увеличения катодного поля, которое обычно приводит к пробою /30, 31/. Захват электронов, однако, будет также уменьшать катодное поле и для случая испытаний при постоянном токе и им нельзя пренебречь. Кроме того, захват электронов будет увеличивать поле вблизи анода для обоих видов испытаний - при постоянном напряжении и при постоянном токе. Это будет приводить к увеличению генерации дырок вследствие сильной полевой зависимости коэффициента ударной ионизации.

В рассмотренных моделях пренебрегали также дрейфом дырок в окисле /31/. Приведенные в ряде работ результаты показывают, что дырки действительно дрейфуют к катоду и частично захватываются. Кроме того, доминирующая роль захвата дырок в увеличении катодного поля проявляется в локальных областях, что не учитывалось в рассмотренных моделях. Этот эффект может быть важен при разработке методов улучшения качества окисла. Расчеты на основе рассматриваемой модели привели к следующей формуле для времени наработки до отказа:

BD~C/[JW(MW–1)]~C*e(B+M)/E. (2.5)

Анализ результатов. Основным отличием работы /32/ является учет захвата дырок в развитии процесса пробоя. Доказательством роли поверхности в пробое является тот факт, что QBD для инжекции из подложки на 20 % выше, чем для инжекции из затвора. Таким образом, с точки зрения пробоя граграница раздела поли-Si–SiO2 слабее, чем граница Si–SiO2. Этот эффект наблюдался также в работе /37/.

Можно полагать, что для улучшения пробивных характеристик структуры необходимо улучшение границы раздела.

56

В частности, в соответствии с рассматриваемой моделью, должен быть минимизирован захват дырок на поверхности. Захват дырок в SiO2 был исследован детально вследствие его роли в деградации МОП-приборов, подвергнутых воздействию ионизирующей радиации. По результатам этого исследования был разработан процесс получения радиационно-стойких окислов /39/. В общем, повышение радиационной стойкости было достигнуто минимизацией температуры, при которой выращивается окисел, и минимизацией температур всех последующих послеокислительных процессов.

Процесс радиационного упрочнения сокращает однородную компоненту захватываемых дырок и можно надеяться, что он также сокращает локализованный захват дырок. Однородная компонента положительного заряда, которая ответственна за сдвиг C-V кривых, при испытаниях на инжекцию отжигается подобным же образом, как и индуцируемый радиацией положительный заряд. Это очевидно, так как в обоих случаях, как мы полагаем, положительный заряд обусловлен захватом дырок. Плотность положительного заряда уменьшается с температурой отжига. Локализованная компонента, однако, отжигается не так эффективно. Так как локальная и однородная компоненты обнаруживают различные характеристики при термическом отжиге, они различным образом влияют на процесс радиационного упрочнения. Тем не менее можно предположить, что технологические процессы, повышающие радиационную стойкость окисла, могут улучшить качество окисла по отношению к времязависимому пробою.

Выше указывалось, что этот тип полевых испытаний применим к энергонезависимым ЗУ. В частности, сужение порогового окна, наблюдаемое после достаточного числа циклов запись-чтение, как предполагается, обусловлено захватом электронов, и можно предположить, что пробой окисла в этих приборах также описывается данной моделью.

Результаты, полученные на качественных окислах, можно, по-видимому, распространить на так называемые "ранние пробои", характерные для дефектных окислов. Други-

57

ми словами, можно считать, что ранние пробои вызываются теми же самыми механизмами генерации и захвата дырок. В этом случае область с пониженной прочностью - это либо область с высокой плотностью дырочных ловушек или большим сечением захвата в локальных участках, либо с уменьшенной толщиной окисла или пониженной высотой потенциального барьера. Появление таких областей обусловлено загрязнениями, кристаллическими дефектами либо поверхностными шероховатостями кремния. Фактически, мы считаем, что все три причины дают вклад в ранний пробой окисла.

Реализация СБИС требует очень тонкого окисла с низкой плотностью дефектов и высокой надежностью. В динамических ЗУ с произвольной выборкой (DRAM), толщина окисла уменьшается с увеличением емкости ЗУ в битах, в то время как общая площадь тонкого окисла увеличивается, чтобы обеспечить большой запас по чувствительности для усилителей считывания и низкую скорость программных сбоев. В настоящее время окислы с толщиной 10,0 нм и общей площадью больше чем 10 мм2 используются для 1 Мбайт RAM.

Некоторые исследователи сообщали, что плотность дефектов в термически выращенных пленках SiO2 увеличивается с уменьшением толщины окисла. Представляется трудным уменьшить плотность дефектов окисла настолько, чтобы удовлетворить требованиям уровня СБИС. Исследовались и другие структуры, такие как SiO2–Si3N4–SiO2 /40/. В некоторых работах сообщалось, что плотность дефектов в тонких окислах ниже, чем в толстых, что противоречит рассмотренным выше моделям. Авторы работы /40/ показали, что плотность дефектов в рано отказывающих образцах (тип А) уменьшается с толщиной окисла, а в поздно отказывающих (тип В) увеличивается с толщиной окисла.

Более того, существует ряд сообщений о времязависимом пробое, который становится существенно более значимым при переходе от технологии СБИС к субмикронной. Экспериментальные результаты /41/ показали, что времязависимый пробой ускоряется термически и электрически. Хотя эмпири-

58

ческое уравнение ускорения в общем не противоречило результатам большинства исследований, сообщенные коэффициенты ускорения имеют большой разброс.

В работе /40/ показано, что тип В пробоя соответствует участку сильного наклона в коротковременном диапазоне кривой времязависимого пробоя и эта область сдвигается в более коротковременной диапазон с увеличением поля и температуры. Ускоряющий фактор электрического поля является функцией толщины окисла в диапазоне 10,0–70,0 нм и энергия активации времязависимого пробоя составляет 0,3 эВ.

По результатам ускоренных испытаний был выбран критерий, гарантирующий долговременную надежность реальных приборов. Статистический анализ показал, что число дефектов типа В должно уменьшаться. Основной причиной дефектов типа В являются преципитаты кислорода и загрязнение металлами кремниевых подложек. Для сокращения числа дефектов, типа В было предложено высокотемпературное предокислительное прогревание и диффузия фосфора в тыльную сторону пластины. Приведенные результаты показывают, что качество Si пластин – основной фактор для получения высоконадежного окисла.

Основные выводы работы /40/ можно суммировать следующим образом:

1.Отказы типа В соответствуют сильному наклону в диапазоне коротких времен времязависимого пробоя, т. е. В тип дефектов укорачивает срок службы СБИС.

2.Нижний предел В типа пробивных напряжений Vbl

разбросаны вдоль линии Vbl(В)=0.9 tox (Å). Эта зависимость

означает, что диэлектрический пробой для В типа дефектов обусловливается термическим пробоем.

3. Ускоряющий фактор для электрического поля времязависимого пробоя зависит от толщины окисла. Эта зависимость может быть представлена в виде

59

4. Энергия активации времязависимого пробоя равна 0,3 эВ. Эта величина означает, что испытания в течении 10 лет при 70 С эквивалентны работе в течение 58 лет при комнатной температуре.

5. Напряжение Vs в температурно ускоренном испытании при комнатной температуре, необходимое, чтобы гарантировать 10 лет работы прибора при напряжении Vg при 70оС, дается уравнением

6. Основными причинами дефектов типа В являются преципитаты кислорода и загрязнение металлами кремниевой подложки. Чтобы увеличить надежность термического SiO2, необходимы высокотемпературное предокислительное прогревание и/или диффузия фосфора в тыльную сторону подложки.

2.3.Методы отбраковочных испытаний по отношению

квремязависимому пробою

Зависимый от времени пробой является основным видом отказов современных МОП ЗУ. Этот тип отказов, как было показано, связан со скрытыми дефектами, которые случайно генерируются в диэлектрике в процессе производства. Времязависимый пробой в МОП-приборах сильно зависит от электрического поля и активной площади диэлектрика. Так как проектируются МОП ЗУ с большей емкостью, необходима улучшенная процедура испытаний диэлектрика на пробой.

Для того чтобы разработать оптимальную процедуру испытаний, необходимо иметь соответствующую модель /41/.

Функция распределения для времязависимого пробоев, экспериментально наблюдаемых на тестовых емкостях и реальных запоминающих матрицах, следует логарифмически нормальному распределению, т. е. общее выражение функции плотности распределения отказов для данных температуры и напряжений может быть представлено в виде

60