В.В. Андреев, А.Н. Щербаков ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР

реклама
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 1000С с добавлением 3% HCl. Пленку ФСС
формировали диффузией фосфора из газовой фазы путем пиролиза смеси
POCl3-O2 при температуре 900С. Затем пластины отжигались в атмосфере
азота при температуре 1000С. Алюминиевые электроды площадью 1,510-2 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.
Скачать