В.В. Андреев, А.Н. Щербаков ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР
advertisement
В.В. Андреев, А.Н. Щербаков ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР ПОСЛЕ ИНЖЕКЦИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ Увеличение степени интеграции изделий микроэлектроники обусловливает необходимость повышения их надежности, что связано с совершенствованием методов производственного контроля интегральных схем [1]. Одним из методов контроля и определения параметров МДП-структур является метод измерения C-V характеристик [3]. Вольт-фарадные методы измерения параметров полупроводников основаны на определении зависимости емкости структуры, обусловленной наличием объемного заряда в приповерхностной области полупроводника, от приложенного к ней напряжения. Метод сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик постоянным током, реализованный в данном устройстве, является одним из эффективных методов исследования деградационных процессов в МДП-структурах [2,4]. Метод инжекции заряда постоянным током является одним из наиболее применяемых среди методов сильнополевой инжекции заряда в диэлектрик МДП-структур. Зависимость тока от напряжения в МДП-структуре носит экспоненциальный характер и, следовательно, использование импульсов тока позволяет расширить диапазон прикладываемых электрических полей, уменьшая вероятность пробоя диэлектрика. При приложении прямоугольного импульса тока упрощается определение количества носителей заряда, инжектированных в диэлектрик, а зарядовая деградация диэлектрика контролируется по изменению напряжения на МДП-структуре. Разработанное устройство создания инжекционных нагрузок и контроля параметров приборов со структурой МДП позволяет оперативно с высокой точностью определять электрофизические параметры диэлектрических пленок МДП-приборов. Разрабатываемое в данном проекте устройство создания инжекционных нагрузок и контроля параметров приборов со структурой МДП предназначено для исследования параметров диэлектрических слоев структур МДП на полупроводниковой пластине [5]. Оно позволяет осуществлять измерения с высокой точностью и представлять их в форме, удобной для дальнейшей математической обработки на персональном компьютере (ПК) с помощью различных пакетов прикладных программ. Полученные таким образом данные могут быть использованы при проектировании новых кристаллов, для улучшения параметров существующих интегральных схем, в которых используются структуры МДП, а также для контроля дефектности кристаллов на полупроводниковой пластине. Установка для исследования параметров диэлектрических слоев представляет собой систему, состоящую из: ПК, контактирующего устройства и прибора для создания инжекционных нагрузок и контроля параметров МДП-структур. Управление работой устройства осуществляется с помощью ПК, что позволяет значительно упростить процесс сбора и обработки экспериментальных данных. При разработке устройства была предусмотрена функция отслеживания результатов измерений в реальном масштабе времени. Это дает возможность оператору контролировать процесс измерений на любом его этапе и при необходимости остановить процесс измерений. Основные технические характеристики: 1. Частота тестового ВЧ сигнала: 1 МГц. 2. Диапазон изменения линейно-изменяющегося напряжения: –8 ÷ 8 В. 3. Максимальная амплитуда измерительного ВЧ сигнала: 20 мВ. 4. Погрешность измерения емкости в диапазоне измерений: 5%. 5. Диапазон измерения емкости: 3 – 1800 пФ. 6. Потребляемая мощность: 16 Вт. 7. Дискретность установки напряжения смещения 4 мВ. 8. Дискретность измерения напряжения, пропорционального емкости МДП-структуры: 0,3 мВ. 9. Напряжение питания: ~220 В. 10. Частота питающего напряжения: 50 Гц. 11. Наработка на отказ: 36000 ч. 12. Температура окружающей среды: +10 ÷ +25 °С. Для определения емкости МДП структуры в данной работе используется высокочастотный C-V метод. Для этого с помощью генератора высокой частоты с последующим аттенюатором формируется синусоидальный тестовый сигнал частотой 1 МГц и амплитудой 20 мВ. При этих условиях поверхностные состояния не будут успевать перезаряжаться вслед за изменением сигнала. В качестве напряжения смещения на МДП-структуре используется линейно изменяющийся сигнал. Для создания инжекционных нагрузок используется высоковольтный источник тока с блоком из двух реле для коммутации токозадающих резисторов [6]. В состав устройства создания инжекционных нагрузок и контроля параметров приборов со структурой МДП входит аппаратная и программная части. Устройство создания инжекционных нагрузок и измерения C-V характеристик содержит: генератор, необходимый для получения ВЧ сигнала стабильной частоты величиной 1МГц; узкополосный фильтр с полосой пропускания около 10 кГц и центральной частотой, равной 1 МГц; усилитель измерительного сигнала; детектор; дифференциальный усилитель; высоковольтный источник тока; коммутирующие реле для переключения диапазонов измерения емкостей и токозадающих резисторов; блок питания с напряжениями ±8 В, ±5 В, 142 В, 5 В для питания цифровой части, 5 В в качестве опорного источника напряжения для АЦП и ЦАП; цифровую часть, состоящую из микроконтроллера, преобразователя интерфейсов, АЦП, ЦАП. Данное устройство подключается к контактирующему устройству и ПК. При работе с помощью ПК осуществляется выбор необходимого режима измерения емкости и коммутация сигналов. Структурная схема устройства приведена на рис. 1, где 1 – зонд для подключения МДП-структур; 2 – устройство коммутации; 3 – источник тока; 4 – генератор высокой частоты; 5 – дифференциальный усилитель; 6 – дифференциатор; 7 – детектор; 8 – цифро-аналоговый преобразователь; 9 – полосовой фильтр; 10 – фильтр низких частот; 11 – микроконтроллер; 12 – преобразователь интерфейсов; 14 – усилитель переменного тока; 15 – дифференциальный усилитель; 16 – аналого-цифровой преобразователь. Рис. 1 С помощью разработанной установки исследовалась модификация электрофизических характеристик МДП-структур путём туннельной инжекции электронов в диэлектрик в сильных электрических полях. В качестве экспериментальных образцов использовались тестовые МДПконденсаторы на основе термической двуокиси кремния, пассивированной пленкой фосфорно-силикатного стекла (ФСС), изготовленные на пластинах КЭФ-4,5 кристаллографической ориентацией <100>. Двуокись кремния толщиной 100 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 1000С с добавлением 3% HCl. Пленку ФСС формировали диффузией фосфора из газовой фазы путем пиролиза смеси POCl3-O2 при температуре 900С. Затем пластины отжигались в атмосфере азота при температуре 1000С. Алюминиевые электроды площадью 1,510-2 см-2 напыляли магнетронным методом. После формирования Al-электродов проводили отжиг в среде азота при температуре 475 С. Изменение зарядового состояния МДП-структур контролировалось с использованием C-V метода и метода управляемой токовой нагрузки [1,2,5,6], заключавшегося в приложении к образцу импульса тока специальной формы, обеспечивающего заряд ёмкости МДП-структуры и последующую сильнополевую туннельную инжекцию электронов в диэлектрик, обычно осуществляемую в режиме протекания постоянного тока. В течение сильнополевой инжекции измерялось приращение напряжения на МДПструктуре VI, характеризовавшее изменение зарядового состояния МДПструктуры [1]. Высокочастотные C-V характеристики, измеренные на МДП-структурах III группы при сильнополевой инжекции электронов в диэлектрик из кремниевого (1,2,3) и алюминиевого (1,2,3) электродов приведены на рисунке 7. Как видно из рисунка, при инжекции электронов из кремния (положительная полярность Al-электрода) наряду с накоплением отрицательного заряда в пленке ФСС, приводящего к сдвигу C-V кривых в сторону положительных напряжений, происходит увеличение плотности поверхностных состояний и, следовательно, деградации границы раздела Si-SiO2, что может ухудшить параметры модифицируемых приборов. На начальном этапе инжекции электронов из Alэлектрода (рисунок 7, кривая 1) изменение зарядового состояния МДПструктур характеризуется накоплением отрицательного заряда в пленке ФСС без увеличения плотности поверхностных состояний. Накопление отрицательного заряда в структуре Si-SiO2-ФСС-А1 связано с захватом части инжектированных электронов на ловушки в слое ФСС [1,4]. Рис. 2 Высокочастотные C-V характеристики (рис. 2), измеренные на МДПструктурах III группы при сильнополевой инжекции электронов импульсами постоянного тока 0,667 мкА/см2 при положительной (1, 2, 3) и отрицательной (1, 2, 3) полярности Al-электрода: 0 – измерена до проведения инжекции; 1,2,3,1,2,3 – после инжекции заряда различной величины: (1,1) – 0,0667 мКл/см2, (2,2) – 0,133 мКл/см2, (3,3) – 0,2 мКл/см2. Проведенные исследования показали, что при инжекции электронов из Alэлектрода накопление отрицательного заряда может происходить лишь до определенной величины, при превышении которой за счет увеличения локального электрического поля в диэлектрической пленке [1,5] происходит пробой диэлектрика. Таким образом, при отрицательной полярности Alэлектрода на исследуемых образцах инжекция электронов позволяла увеличивать пороговое напряжение МДП-транзистора на величину до 1 В. При инжекции электронов из кремния для обеспечения приемлемых значений плотности поверхностных состояний величина инжектированного заряда при корректировке порогового напряжения не должна превышать 0,1 мКл/см2. Диапазон токового воздействия при изменении зарядового состояния МДПприборов целесообразно ограничить 10-8 10-5 А/см2. Уменьшение амплитуды токового воздействия сопровождается трудностями технической реализации и нецелесообразно в связи со значительным возрастанием времени инжекции требуемой величины заряда. Увеличение амплитуды токового воздействия приводит к значительному возрастанию вероятности пробоя образца, а при инжекции электронов из Si - к повышению плотности поверхностных состояний и генерации положительного заряда в SiO2 [1,4]. Список литературы 1. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Инжекционные методы исследования и контроля структур металл-диэлектрик-полупроводник: Монография.− М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 2. Андреев В.В., Барышев В.Г., Бондаренко Г.Г., Столяров А.А. Инжекционный метод исследования зарядовых характеристик систем металл-диэлектрикполупроводник // Перспективные материалы – 1998. - №4. 3. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. – М.: Высшая школа, 1987. 4. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. Р.А. Суриса. – М.: Мир, 1984. 5. Андреев В.В., Столяров А.А., Дмитриев В.Г., Романов А.В. Инжекционные методы контроля подзатворного диэлектрика МДП-ИМС // Наукоемкие технологии. 2012. Т.13. № 10. 6. Andreev V.V., Bondarenko G.G., Maslovsky V.M., Stolyarov A.A. Multilevel current stress technique for investigation thin oxide layers of MOS structures // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering.− 2012. − V. 41. − №012017.
