автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Долговременные нестационарные процессы в МДП структурах с аморфными диэлектриками на основе кремния

УДК 621.382

Л ^

.) и на правах рукописи

МАСЛОВСКИЙ Владимир Михайлович Долгозремеппые нестационарные процессы в МДП структурах с аморфными диэлектриками на основе кремния

05.27.01 Твердотельная электроника, микроэлектроника, наноэлектроника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1996г.

Работа выполнена в ГОСУДАРСТВЕННОМ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ИНСТИТУТЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

им. Ф.В. ЛУКИНА. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук, профессор С.Н.Козлов доктор физико-математических наук, профессор С.Ф.Тимашев доктор технических наук В.Ф.Синкевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета.

1996 г. в 14 час. на

Защита состоится 2? -заседании Диссертационного совета ¡Ц 142.05.01 по адресу: 103460, Москва, Зеленоград.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Гос.НИИФП им. Ф.ВЛукина.

Автореферат разослан "

-с 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

лу. Мазуренко

Общая характеристика работы

Субмнкронная технология становится повседневной реальностью в производстве интегральных схем. Вследствие освоенности кремниевой технолоши, высокого уровня интеграции и надежности И С, кремний из ближайшее десятилетие сохранит лидирующую роль в качестве основного материала для изготовления СБИС и УБИС. Осноенын базовым элементом СБИС останутся МДП структуры на основе кремния. Постоянные требования к увеличению степени интеграции СБИС обеспечиваются уменьшением длин каналов и толщин подзатворного диэлектрика в субмикронной МДП-транзисторной технслоган. Поэтому становятся существенными процессы, связанные с влиянием сильных электрических полей в диэлектрике. Икжекция носителей в диэлектрик в таких полях приводит к генерации дефектов и долговременной эволюции дефектно-примесных комплексов (ДПК) в активных областях МДП структур. Исследование дефектов в тонкопленочных системах диэлектрик-полупроводних (ДП) представляет необходимую и актуальную задачу. Причиной отказов полупроводниковых систем могут быть скрытые технологические дефекты, представляющие собой, например, слабо связанные ДПК с участием атомов водорода. Эволюция ДПК под действием внешних активационных факторов (радиационное воздействие, повышенная температуря, электрические и магнитные поля) изменяет их электрическую активность, что приводит к деградации МДП приборов.

Различные по составу слои аморфных диэлектриков на основе кремння, используемые я МДП приборах могут значительно отличаться по споим свойствам (зонная структура, подвижность и эффективная масса носителей, спектр локализованных состояний). Тек например в сильных электрических полях захват электронов в аморфном нитриде кремния 513М4 (НК) существенно больше чем в аморфном 5Ю2 (ниже - окисел). Это свойство НК нспопыуется в МНОП (металл-НК-окисел-полупроводннк (в!) ) элементах памяти (ЭП). В настоящее время такие многослойные диэлектрические тонкие пленки окисел-НК-окисел (суммарная толщина менее 5 нм) находят также применение при изготовлении конденсатора хранения СБИС динамических оперативных запоминающих устройств.

Разработка запоминающих устройств (ЗУ) большой емкости на основе МДП-структур - одно из важнейших направлений микроэлектроники. В »той связи ведутся интенсивные исследования электронных процессов в аморфных диэлектриках на основе кремния для создания энергонезависимых электрически репрограммируемых запоминающих устройств (ЭРПЭУ). В качестве ЭП в них используются МНОП или ПНОП - (полевой электрод выполнен из поликремния) структуры.

Запись информации в таких ЭП соответсвует захвату заряда в пленке НК, который может сохраняться в течение длительного периода времени (порядка года) после отключения напряжения. При приложении напряжения записи электроны инжектируются через окисел в пленку НК и захватываются на локализованные состояния (ЛС) различного типа, где они могут храниться более года.

Весьма перспективным являются ЭП на основе МОНОП структур, в которых дополнительный диэлектрический слой (окисел кремния) препятствует инжекиии дырок из металла в НК, и тем значительно уменьшает деградацию таких структур. Эта структура представляет собой наиболее удобный модельный объект для изучения транспорта электронов в НК.

К началу настоящей работы (1973 год) систематического исследования накопления и хранения информационого заряда в МДП-элементах памяти, а также процессов деградации таких элеменов памяти проведено не было. Адекватная теоретическая концепция, описывающая их функционирование не была разработана, 8 проведенных исследованиях в основном изучались нестационарные электронные процессы в приповерхностной области полупроводника и стационарные неравновесные процессы в аморфных диэлектриках на основе кремния. Разработка МДП ЭП с аморфными диэлектриками и успешное их использование в электрически репрограммируемых ПЗУ большой емкости стимулировала проведение систематических исследований нестационарных электронных процессов в аморфных диэлектриках на основе кремния.

'Значительный научный интерес к электронным процессам а НК стимулируется также необходимостью создания МНОП ЭП с большим числом никлое переключения. Ограничение числа циклов переключения (<105 ) обусловлено деградационными процессами в МНОП структуре, которые

характерны дЛя всех МДП структур с аморфными диэлектриками н ведут к потере работоспособности МДП приборов.

• Влияние возбуждения электронной подсистемы диэлектрика на параметры МДП структур изучалось во многих работах, однако лишь в последние годы появились предпосылки создания более детальных представлений о спектре локализованных состояний (Л С) и его долговременных изменениях в аморфных диэлектриках при различных внешних воздействиях. Эффективным инструментом исследования может служить моделирование транспорта носителей и накопления заряда а диэлектриках МДП структур. В известных моделях накопления эле1Стронов в НК не учитывалось фундаментальное свойство аморфных диэлектриков - наличие "хвостов" плотности состояний, а представления о ЛС носили дискуссионный характер. Поэтому достоверное определение параметров центров захвата в НК было невозможно. Создание адекватных теоретических представлений о спектре ЛС в НК, определяющем характеристики накопления заряда в МНОП и МОНОП структурах, а также программных средств для проведенния численного эксперимента при проектировании ЭП представляется весьма актуальным. Таким образом, имелась настоятельная необходимость создания теории транспорта носителей и накопления заряда в аморфных диэлектриках при различных видах спектров локализованных состояний и условиях инжекции, соответствующих условиям инжекции в МДП элементах памяти. Следующая задача состояла в исследовании долговременной релаксации захваченного в диэлектрике заряда.

Важный аспект исследования электронных процессов в МДП структурах связан с деградационными процессами. Внешние актнвационные факторы (радиационные воздействия, повышенная температура, магнитные поля) также приводят к реакциям дефектов в структуре, долговременому изменению состояний ДПК (в том числе электрической активности), что и обуславливает деградацию МДП структур. Поэтому исследование влияния дефектов на параметры и надежность МДП структур представляет актуальную и необходимую задачу. На стабильность параметров МДП структур значительно влияют протяженные дефекты (микродефекты) вблизи ДП границы. В этой связи весьма актуальным является изучение влияния микродефектов на параметры потенциально-ненадежных МДП структур, а также разработка новых оперативных методов регистрации микро/"*фектов. Методики исслешвания влияния протяженных дефектов у межфазной гранигу кремний-днэлск: ик н.1

деградационные процессы в МДП структурах в сильных электрических полях ке были разработаны. Поэтому адекватные- представления о проводимости; дефектных МДП структур, характеризующихся большими токами утечки через диэлектрик не были сформулированы.

Важную роль в развитии представлений о механизмах долговрех1ешшх нестационарных процессов в МДП структурах сыграл обнаруженный автором совместно с С.Н.Постниковым эффект - возникновение магнитоицдуцированной диффузионной неустойчивости в многокомпонентных твердотельных системах. Было экспериментально установлено, что воздействие слабым магнитным полем (МП) приводит к долговременному изменению реальной структуры термодинамически неравновесных полупроводниковых систем. Разработка механизма долговременных магнитоиндуцнроеанных диффузионных процессов в приповерхностной области кремния МДП структуры стала актуальной задачей б проблеме создания надежных микроэлектронных приборов. Анализ механизма влияния МП представляется весьма перспективным для развития представлений . о механизмах деградационных процессов и естествгного старения МДП структур ввиду слабости энергетического воздействия МП.

Пель работы установление фундаментальных закономерностей

долговременных нестационарных электрических процессов в аморфных диэлектриках МДП структур в сильных полях - накопления, хранения и деградации МДП структур с учетом пространственной неоднородности параметров диэлектрика, протяженных дефектов у межфазной границы, а также воздействий сильных электрических , магнитных полей на эти процессы.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие конкретные задачи диссертационной работы: 1

1. Создание теории транспорта и накопления электронов в НК при сильных полях, учитывающей захват электронов глубокими кулоновскими центрами и ловушками хвоста плотности состояний, разработка методов определение параметров центров захвата и характера их заполнения и установление параметров, определяющих накопление и хранение заряда в МНОП структурах.

2. Изучение закономерностей деградации МНОП структур в сильных электрических полях и их обьяснение.

3. Разработка методов регистрации протяженных дефектов в МДП структурах и изучение влияния этих дефектов на проводимость и деградацию МДП

структур. Разработка теории проводимости дефектных МДП структур с

большими токами утечки.

3. Исследование влияния МП на параметры, определяющие транспорт

носителей в аморфном диэлектрике МДП структур.

Научная новизна}

1. Разработана теория, описывающая накопление заряда в МДП элементах памяти во всем временном диапазоне, учитывающая влияние хвостов плотности состояний на долговреметще электронные переходные процессы в этих элементах. Результаты численного моделирования накопления заряда в МОНОП структурах вперЕые позволили установить характер влияния локализованных состояний в НК на переходные процессы и на основе сопоставления с экспериментальными характеристиками определить параметры спектра этих состояний.

2. Разработан метод определения пространственного распределения захваченного заряда по толщине диэлектрика, использующий регистрацию кинетики стекания захваченного заряда.

3. Установлено, что деградация МНОП структур определяется плотностью протекшего через диэлектрик заряда дырок и связана с уменьшением концентрации ЦЗ электронов. Установлено, что увеличение концентрации избыточных атомов кремния и кислорода, участвующих в формировании ЦЗ обеспечивают меньшую скорость стекания заряда и большую зарядовую стабильность НК.

Разработан новый метод определения параметров цешров захвата электронов в диэлектрике при инжекции носителей из полевого электрода. На основе его использования Епервые показано, что коэффициент захвата электронов на ЦЗ в НК

5. Предложен новый метод регистрации микродефектов у межфазной границы, использующий гистограммы зарядовой стабильности (ЗС). Исполь я этот метод показано, что ЗС потенциально - дефектных структур определяется площадью дефектной области межфазной границы ДП.

6. Установлено, что проводимость МДП структур со степенной ВАХ обусловлена транспортом электронов по поверхности сквозной микротрещины в диэлектрике.

7. Обнаружены машитоиндуцированные долговременные изменения электрофизических параметров МДП структур на основе кремния.

8. Обнаружено ускоряющее воздействие электрического поля на машитоиндуцированные изменения электрофизических параметров МДП структур.

9. Разработана теория распада ДПК в полупроводниковых соединениях, основанная на контактом сверхгонком взаимодействии ядерной спиновой системы с электронной спиновой системой дефектов в составе ДПК.

Практическая ценность работы:

1. Создан программный комплекс для численного моделирования характеристик накопления заряда в МОНОП структурах, уточнены значения параметров локализованных состояний в нитриде кремния.

2. Разработаны способы определения параметров центров захвата и пространственного распределения заряда в диэлектрике, использующие регистрацию характеристик накопления заряда и его стекания после отключения напряжения на структуре.

3. Предложен способ изготовления МДП ЭП с большим числом циклов переключения

4. Разработан способ регистрации микродефектов в активной области МДП структуры, использующий гистограммы зарядовой стабильности МДП структур.

5. Разработан новый метод эффективного выявления потенциально-ненадежных МДП структур, использующий воздействие ИМП.

Па защиту выносятся:

■ .Теория накопления и стекания заряда в МДП структурах с аморфными диэлектриками, результаты математического моделирования этих процессов в МОНОП элементах памяти, проведенного с учетом хвостов плотности состояний.

2.Установление основных закономерностей деградационных процессов в МНОП структурах при протекании тока и их теоретическое объяснение.

3.Новыс способы регистрации протяженных дефектов в МДП структурах, использующие гистограммы зарядовой стабильности.

4.Теория проводимости МДП структур со сквозной микротрещиной в диэлектрике, в которой используются представления о хвостах плотности состояний в неупорядоченных двумерных системах й минимальной металлической проводимости. 5,Обнаружение магнитоиндуциро ванных изменений электрофизических параметров термодинамически неравновесных МДП структур на основе кремния, ускоряющего влияния электрического поля на темп этих изменений и их объяснение.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Н-ом координационном совещании по проблемам полупроводниковой памяти (Москва 1976); У1-ом Всесоюзном совещании по физике поверхностных явлений в полупроводниках"(Киев 1977); П-ой научно-технической конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (&<ев 1978); 7-ом Симпозиуме по электронным процессам на поверхности полупроводников на границе раздела полупроводник-диэлектрик (Новосибирск 1980); Конференции "Физические проблемы МД11-инте тральной электроники" (Севастополь 1983); Научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" (Москва 1988); Второй всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов* (Кишинев 1986); Семинаре по проблеме "Примеси, дефекты и деградационные явления в полупроводниковых материалах и приборах" (Ленинград 1988); У1-ой Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (1988); Втором всесоюзном

совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное

/

исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса 1986); У1-ой Всесоюзной школе-семинаре по физике поверхности полупроводников (Одесса 1987);1Х-ом Всесоюзном симпозиуме "Электродные процессы на поверхности и в токих слоях полупроводников" (Новосибирск 1988); .ретьем всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" (Одесса 1988); У-ой Отраслевой научно »технической конференции "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" (Черновцы 1989); Совещании-семинаре "Аморфные полупроводники и

диэлектрики на основе кремния в электронике" (Одесса 1989); XV и XVI Научно-техническом семинаре Северо- -Западного региона "Физические и химические явления на поверхности полупроводников и границах раздела фаз, управляющие качеством слоистых систем в интегральной электронике" (Новгород 1990, Таллин 1991); Всесоюзном постоянном научно-техническом семинаре "Низкотемпературные технологические процессы в электронике" (Ижевск 1990); Школе-семинаре "Состояние и направления развития запоминающих устройств для перспективных ЭВМ" (Симферополь 1989); У-ой Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Саратов 1990); Всесоюзной научно-технической школе "Проблемы памяти ЭВМ" (Уфа 1990); ГУ-ом Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Ярославль 1990); Ш-ей Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск 1990); У1-ой Республиканской конференции "Физические проблемы МДП- -интегральной электроники (Севастополь 1990); Международном семинаре "Моделирование приборов и технологий в микроэлектронике" (Новосибирск 1990); Ш-ей Всесоюзной научно"! конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск 1991); Третьем всесоюзном совещании "Физические основы деградации и надежности полупроводниковых приборов" (Москва 1991); Ш-ей Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев 1991); У1-ой Всесоюзной конференции "Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" (Кишинев 1991); Всесоюзной научно-технической школе "Устройства и системы хранения информации" (Алушта 1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологические проблемы микроэлектроники" (Менделееве 1991); Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Нижний Новгород- Астрахань 1992); И международном семинаре по моделированию приборов и технологий в микроэлектронике, (Новосибирск 1992 г.); 1-ой Российской конференции по фишке полупроводников (Нижний Новгород 1993); ежегодном научно-тсхиическом семинаре "Шумовые и деградациоиные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва 1993, 1994 и 1995 гг); Международной конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах (Санкт-Петербург 1994); 1У-ой Всероссийской научно- -технической конференции

"Физика окисных пленок" (Петрозаводск 1994); Всероссийской ' научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог 1994); III международном семинаре по моделированию приборов и технологий (Обнинск

1994); Международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза 1995); Всероссийской научно-техническая конференции "Электроника и информатика -95"(Москва 1995); международных конференциях Materials research society (MRS) spring meeting (San Francisco 1992-1995) & fall meeting ( Boston 1992-1994); II и III международных семинарах "Dielectric and related phenomena"(Po!and, Zacopane 1992 и 1994); 38th Annual conference on magnetizm and magnetic materials (Minneapolis, Minnesota, 1993); European-MRS spring meetings (Strasburg 1994,

1995); International conference on Solid State Devices and Materials (SSDM) (Osaka 1995); Intermag 95 (San Antonio, Texas USA 1995);

Публикации; По материалам диссертации опубликовано 84 печатных работ в том числе Ч авторских свидетельства СССР и два патента РФ.

диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 24$ страниц машинописного текста, включая!?"^"рисунков. Список литературы содержит наименование.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель, научная новизна, практическая значимость работы, а также положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке теории переходных процессов при инжекции электронов в НК МНОП структур.

В начале главы представлен анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию электронных процессов в МДП структурах в сильных полях. Рассматриваются современные представления о транспорте электронов в НК, обсуждается спектр ЛС, полученный различными экспериментальными методами. Показана необходимость разработки модели, в которой бы учитывался захват носителей как на глубокие центры захвата (ЦЗ), так и на ловушки хвоста плотности состояний. Это связано с задачей адекватного объяснении

долговременных характеристик изменения напряжения плоских зон, тока во внешней цепи и пространственного распределения заряда в НК.

1. В предложенной модели инжектируемые из кремния электроны захватываются как положительно заряженными моноэнергетическими ЦЗ, так и нейтральными ловушками хвоста плотности состояний в запрещенной зоне НК.

Накопление электронов в НК МНОП- структуры описывается системой следующих уравнений:

- уравнения для полного тока

- уравнения Шокли-Рида для перезарядно! положительно заряженных ЦЗ.

^ = /[«(1-«*))-«*)/»,<£)) . (2)

В котором параметр Шокли-Рцда Л](£) записан с учетом эффекта Пула -Френкеля (ЭПФ),

• уравнения Шокли-Рида для перезарядки ловушек

- - /С*.')) - /(*.*)",(*>] , (3)

- уравнения Пуассона

£ „ - д + - /0<ф*] (4)

в котором второе слагаемое учитывает экспоненциальное распределение ловушек по энергии Ы(е) — //, схр(-е/е, )/£,, где: Л', - объемная плотность ловушек, Е • электрическое поле, меняющееся по толщине НК, «п - диэлектрическая проницаемость НК, - ток проводимости; л,(2?) = щ(Ф)ехр(^Е/Е,),

= /V,ыр(-е/кТ); N - концентоция ЦЗ. - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, Е, ~ (Т/ч)' - характерное поле ЭПФ; у и ^ - коэффпс1тты захвата электронов на ЦЗ и ловушки, соответственно, где о, - сечение захвата ловушек, V, и V - тепловая и дрейфовая скорости, соответственно; /(х,е) - степень заполнения ловушек. До инжекции электронов исходная степень заполнения ловушек описывается распределением Ферми-

Днрака Л (с) = (ехр((с, - г)Дт) + |) , где ег - уровень Ферми, который находится из исходного заполнения ЦЗ - Г0; энергетическое положение ЦЗ,

Граничные условия задаются амплитудой приложенного к МДП структуре прямоугольного импульса напряжения, а также зависимостью величины тока инжекции, представляющего собой туннельный ток Фаулера-Нордгейма

/, = В ехр^-а*/Е(0, , (где В «<10* А/см2 . а* -характерное поле туннельного

тока) от поля E(0,t) на инжектирующем контакте. Начальное условие - Е(х,0) —U/I'-поле определяется напряжением на структуре U.

2. Проведено аналитическое рассмотрение переходных процессов в МДП структурах без учета хвостов плотности состояний н при однородном распределении ЦЗ донорного типа и компенсирующих их акцепторов. Исходная степень заполнения ЦЗ f¡j (до приложения импульса напряжения) определялась соотношением концентраций ЦЗ электронов и дырок. На первой стадии переходного процесса (в обычно реализующемся случае - при временах, значительно меньших времени генерации носителей с ЦЗ у неинхектирующего контакта) можно пренебречь перезахватом инжектированных электронов. Тогда пространственное распределение заполнения ЦЗ имеет следующий вид

f= / \--rzrO-fo)+fo. (Я

■♦М-3)

где у = ехр| —-I - 1, Qc - величина накопленного в диэлектрике заряда,

При значениях у» 1 заполнение ЦЗ можно представил» как продвижение фронта почти полного заполнения вглубь диэлектрика с логарифмической временной зависимостью. При малой величине у такой фронт отсутствует и заполнение ЦЗ у инжектирующего контакта существенно возрастает по мере накопления большей части заряда. Получено условие, при котором, в зависимости от сечения захвата ЦЗ и их энергетического положения, основная часть заряда накапливается на второй стадии переходного процесса, когда заполнение ЦЗ вблизи инжектирующего контакта пришло в квазиравновесие с зоной проводимости диэлектрика. Характер слабого заполнения ЦЗ на этой стадии существенно отличается от заполнения на первой стадии - координата фронта заполнения перемещается вглубь диэлектрика с постоянной скоростью, а значения степени заполнения по мере продвижения фронта убывает по гиперболическому закону.

3. Получено выражение для временной зависимости Д^, хорошо согласующейся с известной экспериментальной зависимостью в МНОП структурах. Для инжектируемого тока, представляющего собой туннельный ток Фаулера-Нордгейма, либо ток эмиссии Шотгки, получено стационарное значение плотности захваченного в диэлектрике зарада и его пространственное распределение при неполной компенсациии ЦЗ. Показано, что при полной компенсации донорных центров акцепторными (когда концентрация захваченных электронов существенно превышает их исходную концентрацию во всем обьеме диэлектрика) гиперболический "хвост" стационарного заполнения ЦЗ протягивается на всю толщину диэлектрика:

Г Г(*-0)

1 , <"(* ~ *о

(6)

где Хв

2жЧИ

Используя (6), получено следующее выражение для тока проводимости: где ( - основание натурального логарифма.

4. Рассмотрен переходной процесс накопления заряда в диэлектрике при инжекции носителей из полевого электрода на первой стадии переходного процесса. Получено выражение для временных зависимостей изменения напряжения плоских зон, которые далее будут использованы для определения параметров ЦЗ, так как эти зависимости чувствительны как к изменению концентрации ЦЗ, так и сечения захвата. Показано, что пространственное распределение заполнения хвоста плотности состояний совпадает с найденным для ЦЗ на первой стадии переходного процесса при временах I « где

г., --■ —'--г - время (енерааии носителей с ловушек с энергетическим

г>ч(е)

положением е. При выполнении обратного соотношения происходит однородное ииолненнс лих состояний.

ВхиГЛЯ.ЛЛйвЯ посвящена разработке методов определения параметров ЦЗ в диэлектрике и установлению с их помощью значений для НК, полученного в

результате реакции силана и аммиака в реакторах атмосферного и пониженного давлений, исследованию релаксации захваченного заряда после отключения питания и токовой деградации МДП структур.

1. Получено выражение для крутизны амплитудной характеристики накопления заряда на первой стадии переходного процесса. По наклону

1 дир ( ¿>1п/„(£•,-)У'

временной характеристики накопления а =---- = -=г— ПРИ

1д 1п/ V, дЕ1 )

напряжении С/т, соответствующем максимальной крутизне Кт амплитудной

характеристики накопления заряда

концентрацию ЦЗ следующим образом:

âu

- , можно определить 'с

Nm-----, (Ы/vr), (S)

4лql

L Ь-Ы-ï))

i

\

где значен!« M=0.6-0.7. Тогда концентрации ЦЗ из выражения ( 8) дает N=6-9 хЮ18 см'3. Этот результат согласуется с результатами ряда исследователей, полученными более трудоемким методом по зависимости цетроида захваченного заряда от величины заряда.

2. Впервые установлено, что необратимые изменения характеристик накопления и отекания заряда, а также проводимости ШС при деградации МНОП структуры определяется плотностью протекшего через НК заряда. Почти полное воостановление этих характеристик наблюдается лишь при длительном высокотемпературном отжиге структуры в атмосфере водорода. Необратимое уменьшение крутизны амплитудной характеристики накопления электронов по мере увеличения пропущенного через структуру заряда свидетельствует об уменьшении концентрации ЦЗ электронов.

3. Использование разработанного в главе I метода определения параметров ЦЗ при инжекции носителей И» полевого электрода свидетельствовало о luM, что концентрация ЦЗ также уменьшается и в области НК у полевого электрода в зависимости от величины пропущенного через пленку заряда. Так как деградация структур во всех случаях осуществлялась при положительном напряжении на AI-электроде (то есть в режиме протекания чтет структуру дырочного тока), то изменение концентрации ЦЗ, вызванное захватом Г 'рок на глубокие i-impu,

проходило однородно по толщине ПК. Экспериментальные результаты свидетельствовали в пользу корреляции между изменением концентрации ЦЭ электронов и электронной компонентой тока в НК в МНОП структуре с толстым подслоем окисла. Так как в такой структуре при отрицательном напряжении на полевом электроде инжекция дырок в НК отсутствует, то изменение тока J согласуется с зависимостью концентрации ЦЗ от плотности протекшего заряда лишь в случае полной компенсации донорных центров акцепторными (т.е. когда справедливо выражение для тока проводимости (7)).

4. Впервые рассмотрено стекание захваченного заряда при произвольном его пространственном распределение в диэлектрике. Первый этап такой релаксации напряжения плоских зон ДУ№ обусловлен стеканием заряда в подложку -происходит туннелирование захваченных носителей с ловушек НК в кремний через тонкий слой двуокиси кремния и НК. Так как вероятность туннельного перехода с ЦЗ экспоненциально уменьшается с расстоянием х от ЦЗ до границы НК-окисел получено, что скорость стекания заряда С

РГ

А(,) = -2.3^р[*(/)] (9)

определяется объемной плотностью носителей р(х) на расстоянии

соответствующем резкому резкому фронту опустошения ЦЗ, передвигающемуся со временем вглубь диэлектрика по логарифмической временной зависимости. Регистрация временной зависимости Аи№ позволяет определять пространственное распределение захваченного в диэлектрике заряда.. Изменение Я при деградации также свидетельствует об уменьшении концентрации глубоких ЦЗ электронов.

5. Предложен механизм деградации, в котором изменение спектра .локализованных состояний связывается с эволюцией центров, в состав которых входит водород , концентрация которого составляет в НК несколько атомных процентов.

В соответствии с известными экспериментальными результатами полагалось, что деградации МНОП-структуры определяется дырочной компонентой тока проводимости в НК. Захват дырки на структурный комплекс (СК), в состав которого входит II, приводит к миграции водорода в НК и пассивации ЦЗ ■мектроно». Решением соответствующей системы уравнений кинетики изменения

концентрации ЦЗ дырок н электронов показано, что концентрация ЦЗ электронов:

» вг N

гае 0=Г/.Л- плотность протекшего через НК заряда, са = -, i * Го^о

ук ж 4xrtD (где А принимает значения 0 или 1), D - коэффициент диффузии

водорода в H К, rt - 0.3 ни - радиус реакции, W^IO^cm"1 - концентрация Si-Si

связей.

Экспериментальное исследование кинетики деградации МНОП-структур показало, «гго электронная компонента тока в НК где Q^ =10'3

Кл/см2. Эта компонента измерялась при отрицательном напряжении на затворе МНОП- структуры с толстым подслоем SiOj ( т. е. когда инжекция дырок отсутствует), а деградация проводилась пропусканием дырок при положительном напряжении. В соответствии с результатами теоретического расчета в главе I ток J - инжекционный ток, в выражении для которого предэкспонснта обратно пропорциональна концентрации ЦЗ (аналогично выражению для тока, ограниченного пространственным зарядом ). Значение 0j =Ю~3 Кл/см2 соответствует вероятности освобождения водорода на один акт захвата дырки £=0.1. Столь большая вероятность перестройки дефекта согласуется с отсутствием сильной_температурной зависимости темпа деградации МНОП- структур при пропускании через них одинаковой плотности тока.

б. Используя развитые в главе представления о роли водородных процессов в деградации НК, предложен способ изготовления запоминающей диэлектрической среды для изготовления ЭП с более стабильными СК вследствие увеличения концентрации Si-OH - дефектов. Экспериментальные исследования показали, что при числе циклов переключения I06 заметного ухудшения запоминающих свойств предложенных МНОП структур не наблюдалось.

Третья гям посвящена математическому моделированию переходных процессов при накоплении заряда в МОНОП структурах.

1. Система нелинейных уравнений в частных производных (1-4) сводится к системе 2-х интегро-дифференцнальных уравнений. Полная картина переходного процесса после приложения к МОНОП-структуе напряжения получена

решением этой системы численными методами. Для каждого момента времени решается краевая задача по определению распределения электрического поля в ПК сеточным методом, исходя из полученного решения находятся краевые условия для следующего момента времени. и, ,А/сш»; , В

ю"- ю"я ю"* ю~* ю"* 1СГ111Р ю1 10я »о1 104 ю3

Рис, I. Переходные характеристики накопления заряда в МОНОП-структурах при 60 уровнях ловушек. 1 - ЛИ^ 2 - /, 3 - 4- Г(х>=0), 5 -

6 .до, 27.5 кТ)*250, £Л=28В.

в .

в.«

/* 10

и

ж.

«и*

ге/кт

Рис. 2. Эволюция заполнения заполнения ловушек хвоста плотности

состоянии с различным энергетическим положением.

■ь

Влияние состояний хвоста плотности проявляется при характерных временах генерации электронов с ловушек 5, = '• При этих временах

наблюдается особенность на временной зависимости полного тока, заключающаяся в больших значениях тока, чем при отсутствии ловушек. Она проявляется также и в замедлении роста напряжения плоских зон.

Переход к квазинепрерывному спектру ловушек Ще) = Л^, схр(-^ )/<% , где УУ, - объемная плотность ловушек, (рис. 1) привел к расширению временного диапазона существования отмеченной особенности. Временной" диапазон уменьшенных значений напряжения плоских зон соответствует интервалу характерных времен генерации электронов для всего диапазона энергетического положения ловушек. На рис. 2 отражено изменение со временем характера энергетического распределения степени заполнения ловушек: происходит сначала заполнение, а затем опустошение ловушек. Результаты моделирования показали, что накопление заряда практически прекращается при временах, соответствующих времени генерации носителей с ЦЗ т, ~уПу(Е,) в

максимальном поле в НК £, = £,+ .

2. Концентрация ЦЗ в НК в окрестности - ЗЮ2 границы (на расстоянии менее 2 нм от поверхности НК), определенная в главе 2 при помощи измерения характеристик стекания заряда в МНОП-структурах, составляла величину порядка 2+ 3-10"си*3, В то же время из характеристик накопления заряда следовало, что. их концентрация в объеме (на расстоянии более 3 нм от границ) составляет величину 6 + 9-1018си"3. Столь явное несоответствие позволяет предположить наличие неоднородного характера пространственного распределения ЦЗ, о чем свидетельствует также ряд работ зарубежных исследователей.

Результаты моделирования показали, что имеется значительное влияние характера пространственного распределения ЦЗ на характеристики накопления заряда. Полагалось, что происходит экспоненциальное уменьшение концентрации ЦЗ по мере удаления от границы:

где - концентрация ЦЗ вблизи, поверхности, а ТУ,, - их концентрация в объеме, Л в 3 нм,

При таком распределении ЦЗ временная зависимость напряжения плоских зон становилась более крутой, ■ выход на максимальное значение становится более плавным. Сравнение с экспериментально определенными зависимостями характеристик накопления заряда ч долговременной релаксации полного тока показывает, что учет такого неоднородного пространственного распределения заряда даст лучшее соответствие с экспериментом. При этом параметры, позволяющие добиться наилучшего приближения были следующие: Н, =2-10"«Г1; N=8x10" ем3, Ф-1.63 эВ, Х-Э нм;, N,-2* 10м см5, а, = ЗЛ0~'7С Ж, с=0.25 эВ; а* =.117 МВ/см; у-ЗхЮ6 см/с.

Подобные характеристики накопления в предположении однородного распределения ЦЗ могут быть достигнуты только при концентрации ЦЗ близкой к 1.5 • Ю"с*Г3, которая в 2 раза превышает значения, отраженные в результатах главы II по определению концетрации ЦЗ в объеме НК.

Здщшлша посвящена исследованию влияния протяжённых дефектов на транспорт носителей через диэлектрик в МДП структуре и предпробойную деградацию МДП структур (МОП, МНОП и МОНОП) при инжекции носителей. На основе анализа предыдущих исследований показана необходимость исследования влияния ыикродефекгов на деградационные процессы в структурах, приводящие к изменению зарядового состояния дефектов у границы раздела вн ЯЮ,.

I. Проанализированы оригинальные результаты регистрации дефектов электрохимическим методом и с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) в режиме вторичных медленных элепронов. Анализ РЭМ изображения системы окисел-кремний после регистрации дефектов электрохимическим методом позволил идыгтифицироватъ дефекты, регистрируемые РЭМ, с локальными областями с повышенными токами утечки через окисел. Показана возможность получения хорошего контраста РЭМ-изображения при толщине окисла менее 30 нм, поскольку при такой толщине его поверхность во время исследования заряжается до потенциала, энергия электрона в котором меньше, чем энергии формирующих изображение медленных вторичных электронов. В результате получается РЭМ-изображение на котором более светлые области соответствуют областям с большим (по модулю) отрицательным потенциалом. При исслстовашш РЭМ-изображения ДП структур зарегистрированы три типа структурных нсо.Ш(|ролнос|сй: области с низким потенциалом размером порядка

1 мкм, области с большим отрицательным потенциалом, обусловленным повышенной концентрацией электронных ловушек, с таким же характерным размером, и такие же области, но с малым потенциалом центре, обусловленным локальной утечкой через окисел. Распределение обнаруженных, дефектов по пластине (свирлевое или вдоль царапин) соответствует расположению на пластине микродефектов приповерхностного слоя, что говорит о непосредственной связи протяженных дефектов диэлектрического слоя с расположенными у поверхности микродефектами кремния. Исследование дефектов с помощью РЭМ после устранения потенциального контраста напылением пленки золота показало, что области с низким потенциалом размером порядка 1 мкм представляют собой микропоры, которые образуются при разрушении куполообразных отслоений пленки, возникающих при охлаждении пластины в местах со слабой адгезией пленки к подложке. Области с меньшей локальной утечкой идентифицированы как микротрещины в слое диэлектрика, образующиеся при охлаждении пластины после термического окисления вследствие релаксации термомеханических напряжений. Наличие областей со слабой адгезией и повышенной концентрацией электронных ловушек вызвано загрязнением межфазной границы примесями, сконцентрированными вблизи приповерхностных микродефектов кремниевой пластины. Исследование электрической активности обнаруженных дефектов подтвердило их ответственность за повышенную локальную проводимость слоя.

2. Предложено использовать измерения гистограмм зарядовой стабильности (ЗС) (распределение МДП структур по величине заряда О , пропускание которого через диэлектрик приводит его к необратимому пробою). Гистограммы ЗС (рис 3.) характеризуются тремя пиками. Левый пик на гистограмме соответствует исходно дефектным структурам с большими токами утечки через диэлектрик (0<10'и Кл). Среднйй пик соответствует потенйиально-ненадежным МДП структурам (пробиваются при пропускании малого заряда 10"'<(}<10"5 Кл). Третий пик (<Э>10"3 Кл) соответствует "безд фектным" структурам. Малую зарядовую стабильность вполне естественно связывать с наличием протяженных' дефектов у межфазной границы 51-5Ю2. Полагая, что эти протяженные дефекты распределены по поверхности межфазной границы случайным образом, их концентрация, в соответствии с распределением Пуассона где и-

доля дефектных структур (левый и средний ник на гистограмме рис. 3).

N зо 28 20 16" • 10' ■ 6

□ 1 □ 2

гП, , гьЛ [гЛгПгП,

II

-12 -11 -10 -9 -8 •?

•в -5 *4 -3 -2

1Е(0,Кл)

Рис.3. Типичные гистограммы ЗС тонкопленочных МДП структур, сформированных на одной пластине кремния. 1 - исходная пластина, 2 • та оке пластина после у -облучения (доза 106 рад). 5т 1 ММ3.

Используя регистрации микродефектов методом растровой электронной микроскопии, делается вывод о том, что ЗС МДП структур обусловлена геометрическими факторами - площадью области микродефекта (области с повышенной плотностью ловушек у границы 51-8Ю2), составляющей величину 10"® - 10"6 см2. Тот факт, что воздействие на МДП структуру у-облучения не сдвигает правый пик на гистограмме ЗС (рис. 3) свидетельствует о том, что он соответствует ЗС бездефектных МДП структур. Сделан вывод, что огромная разница на 4-6 порядков в ЗС "бездефектных" и потенциально-ненадежных МДП структур обусловлена геометрическими факторами: отношение площади дефектной области межфазной границы, характеризующейся большой плотностью поверхносных состояний, к площади А1 электрода составляет именно такую величину 10"7 -10"4 . Микродефекты лишь локализуют ток туннельной инжекции в диэлектрик. Результаты свидетельствуют в пользу того, что критическая поверхностная плотность заряда, пропускание которой приводит к пробою диэлектрика, отличается незначительно для МДП структур, сформированных в одном технологическом режиме, так как она определяется объемными свойствами диэлектрика.

Этот результат согласуется также с тем, что вид ВАХ всех трех типов МДП структур после необратимого пробоя описывается степенной зависимостью. Далее р главе показано, что такой вид ВАХ соответствует проводимости электронов по поверхн ти микротрещины в диэлектрической пленке, образовавшейся в результате необратимого пробоя диэл< сгрика и

формирующейся в области протяженного дефекта у межфазной границы, который и ограничивает её длину.

3. Разработана теория проводимости МДП структур со сквозной микротрещиной в диэлектрике (в том числе и после пробоя потенциально-дефектных МДП структур в результате измерения ЗС). Полагалось, что проводимость микротрещины определяется спектром ЛС на поверхности микротрещины. При растрескивании окисла оборванные связи формируют локализованные состояния. Электроны, инжектируемые из катода, захватываются на эти поверхностные состояния (ПС). Термическая генерация носителей с этих состояний и обеспечивает протекание тока, аналогично режиму тока, ограниченного объемным зарядом. '

Полагалось, что распределение поверхностных ловушек по энергии, отсчитываемой от порога. подвижности - экспоненциальное. Использовалось также представление о поверхностной проводимости в неупорядоченных двумерных системах: <

<г„ехр(-£р,

где <тм=0,1 чг/Ь — Зх Ю"5 Ом"1 -минимальная металлическая проводимость в двумерных системах, ц - заряд электрона, А - постоянная Планка, ег-квазиуровень Ферми, отсчитываемый от порога подвижности.

Полагая, что выполняется условие режима тока, ограниченного пространственным зарядом, получено следующее выражение для ВАХ дефектной МДП структуры:

^ = 02)

где \ -длина микротрещины, V, = 2а / ел и а = ^\е(у)Ау. Значения а

о

полученные в результате численного решения распределения поля поперек микротрещины отражен!' на рис 4, где р. = ——— , А = 2 <5т Ч. Мл

Сопоставлением с экспериментальными ВАХ показано, что теоретические ВАХ согласуются с экспериментальными при длинах микротг-шины в диапазоне 0.1-0.5 мкм и плотности ПС на поверхности микротрещины Дг, = / (2дае/) « 3 х 10" ст'г.

Т,Я

Рис. 4. Температурная зависимость а: I - Д в 0.3, 2-/Зе «=0.7.

Этот результат подтверждает развитые представления о роди протяжённых дефектов при пробое диэлектрика - длина образовавшейся сквозной микротрещины соответствует характерной длине протяжённых дефектов, полученных из анализа РЭМ изображений.

4. Развиваемые в работе представления о роли микродефектов у границы $1-8Ю2 получили подтверждение в ходе исследйЬания параметров МДП структур, полученных с использованием обработки поверхности полупроводниковых пластин электродуговой плазменной струей при атмосферном давлении: регистрировалось увеличение ЗС более чем на порядок (до 20 Кл/см2) и уменьшение концентрации микродефектов. Значительное увеличение после такой обработки МДП структур напряжения утечки и пробивного напряжения связывается с увеличением концентрации 8|-ОН - дефектов,

Пятая глава посвящена исследованию влияния МП на параматры полупроводниковых систем.

1. Обнаружено магнитоиндуцированное долговременное изменение электрофизических параметров систем $¡-£¡0], сформированных термическим окислением кремниевых подложек в атмосфере сухого кислорода (встроенного в диэлектрике заряда, генерационного времени жизни носителей в' приповерхностной области кремния), обусловленное реакциями дефектов в приповерхностной области - кремния, после воздействия на систему МП с амплитудой 0.1 - 0.3 МА/м и длительностью порядка Ш с, либо серии импульсов длительностью 30 - 50 мке (последнее воздействие обычно индуцировало больши? изменения параметров).

Решсг^ рация изменения одного из самых чувствительных к реакциям дефектов и приповерхностной области крмния параметров - времени, релаксации

т нестационарной емкости МДП структуры свидетельствовала о влиянии ИМП на генерационные центры (рис. 5). Воздействие ИМП приводило к уменьшению т. Характер релаксации емкости к стационарному значению при постоянном значении обедняющего напряжения на МДП структуре соответствовал генерации носителей из области обедненного слоя, а не с ПС границы ДП, как до, так и после воздействия ИМП. Поэтому магнитоивдуцированное изменение ЗС и напряжения плоских зон МДП структуры обусловлены геттерированием быстродиффундарующих дефектов, образовавшихся в результате реакций распада ДПК в объеме приповерхностной области кремния. Для подтверждения этих выводов проведено исследование влияния продолжительного воздействия электрического поля в обедненной области кремния на т.

45 40 и 35 н 30

5 25

о 20

5 0

I, супси

Рис. 5. Изменение положения основного пика на гистограммах т и ЛЦр со временем до и после воздействия ИМП: 1-х до воздействия, 2 • т после воздействия, 3 - АНпосле воздействия. Значения при 1=0 соответствуют значениям до и сразу после воздействия ИМП.

2. Обнаружено, что продолжительное воздействие электрического поля в обедненной области полупроводника значителы>-> ускоряет процесс изменения ансамбля дефектов в приповерхностной области полупроводника. Многократное приложение обедняющего напряжения к одной и той же МДП-структуре для измерения С(0 характеристик после воздействия на эту сгрукгу, у ИМП приводит к значительно более быстрому и немонотонному изменению времени т и увеличению встроенного в диэлектрике положительного заряда, по сравнению

с аналогичным изменением без долговременного воздействия электрического поля.

Такое же многократное и длительное приложение к МДП-структуре обедняющего напряжения до воздействия ИМП не приводило к заметным изменениям т. Используя характерное время немонотонного изменения т (около 103с) определена подвижность заряженных дефектов ц=10"12-10"и см2/(В»с). Появление быстродиффундирующих примесных и собственных дефектов связывается с распадом метастабильных ПрИ'Месно-дефектных комплексов во время релаксации поляризации спиновой системы.

3. Методом нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (НЕСГУ) регистрировались изменения спектра ПС. Обнаружено магнитоиндуцированные изменения пика плотности ПС с энергетическим положением Ес-0,22 эВ и сечением захвата 10"13см2, который идентифицируется .с дивакансией. Амплитуда пика увеличилась на 30 % через 3 суток после воздействия, при этом генерационное время жизни уменьшилось более чем в 4 раза. Изменение плотности ПС в середине запрещенной зоны кремния достоверно зарегистрировано лишь в случае их заметной исходной плотности. После воздействия ИМП плотность ПС увеличилась от 5-7хЮ10 до 1-2х10"эВ"1 • см"2.

3. Установлено изменение гистограмм ЗС МДП структур, индуцированное воздействием МП. Предварительно была выбрана партия пластин со сформированными на них МДП структурами, у - облучение (Со60) которых приводило к значительному изменению гистограмм ЗС (увеличивалась доля структур с малой ЗС, аналогично результатам рис. 3). Это обусловлено генерацией положительного заряда у границы Si-SiOj, по-видимому, вследствии генерации положительно заряженных Е' центров (0}sSi) при захвате неравновесных дырок на напряженные Si-Si связи. Таким образом у-облучение позволяет более полно выявить области границы раздела с большой концентрацией напряженных связей. Воздействие ИМП на структуры этой же партии приводило к аналогичному изменению гистограмм ЗС, но со значительной задержкой во времени. Изменение гистограммы ЗС через 120 часов после воздействия отражено на рис. 6, на котором отражена также исходная гмсто1рамма (заштрихована).

Результаты (рис. ( свидетельствуют о существенном увеличении выявляемой с помощью гистограмм ЗС плотности дефектов в результате

воздействия ИМП. Плотность дефектов 0=110 см"2 значительно превосходит исходную 0=50 см"г на той же пластине. Исходная плотность микродефектов на всех пластинах была зарегистрирована в диапазоне 50-60 см"2. Долговременное изменение плотности микродефектов, выявляемых с помощью гистограмм ЗС после воздействия ИМП на $¡-8102 систему (рис. 6), аналогично обнаруженному В Л' Давыдовым в полупроводниковых соединениях А111В^ после воздействия импульса магнитного поля той же амплитуды и длительностью 10-20 с. Результаты (рис.б) свидетельствуют также о появлении исходно-дефектных МДП структур (левый пик на гистограмме ЗС), т.е. об образовании микротрешин в результате релаксации внутренних механических напряжений у межфазной границы. Установлено, что ВАХ таких структур адекватно описывается варажением (12).

Г*<от

35- ■ 30

гз- ■ 20- •

15 - ■ 10 5

□ 1 □ 2

-Ц-

-+-

м.

иг

ч

-12 -11 -10 -9 -8 -7 "6 -5 -4 -3 -2

1в«№)

Рис. 6. Гистограмма ЗС МДП структуи до (1) и через ¡20 часов после воздействия

ИМП (-2).

4. Гетерирование дефектов границей раздела приводит к

значительному изменению напряжения утечки 1/г Это связано с изменением зарядового состояния дефектов у межфазной границы 5|'-5Ю2, приводящему к увеличению туннельной прозрачности окисла. Положительный заряд в диэлектрике способствует выявлению микродефектов у межфазной границы. Это обьясняет установленную корреляцию долговременных зависимостей напряжения угечки и плотности микродефектов у границы 51-$Ю2 от времени после окончания воздействия ИМП. Время максимального 'пмеиснин напряжения £/, определяется коэффициентом диффузии и линейным размером флуктуации концентрации дефектов. Используя значение коэффициент /), определенное выше и время тг соответствующее максимальному щмеш-ниш Г',,

Г

определен линейный размер флуктуации дефектов Ь ^-/Ог • Это значение соответсвует известному линейному размеру диффузионной нестабильности, которая может возникать в приповерхностной области кремния в результате радиационного воздействия и иметь автоколебательный характер. Температурные исследования длительности обнаруженной релаксации указанных параметров показали, что характерное время релаксации определяется выражением

г, ~ ехр(|£), где энергия активации Ел лежит в диапазоне 0.45-0.5 эВ и

связана с энергией активации диффузии дефектов в кремнии. Значения Ъ при комнатной температуре и Еа соответствуют миграции быстродиффундирующих примесных (Мп, Ре, Сг, Сц, Н ) и собственных дефектов. Участие вакансий в эволюции дефектной системы после магнитошщуцированного распада ДПК подтверждено появлением Л-центров в приповерхностной области п-Я! после воздействия ИМП, зарегистрированным Методом НЕСГУ. Концентрация этих центров увеличивалась до величины, близкой к концентрации легирующей примеси и экспоненциально спадала с увеличением расстояния от поверхности на длине порядка 1 мкм. Установлена корреляция изменений плотности микродефектов и напряжения утечки с долговременным изменением внутренних механических напряжений, регистрируемых в приповерхностной области кремния методом комбинационного рассеяния. Изменение этих напряжений достигало 60 МПа в течение 5-суток.

5. Предложен механизм, позволяющий объяснить необычность влияния МП на реальную структуру полупроводников, состоящую в том, что, при комнатной температуре характерная энергия взаимодействия электрона с магнитным полем ц-Н (ц -магнетон Бора) на три порядка меньше тепловой энергии при Н = 1-МА/м, а изменения дефектной структуры и свойств, в том числе колебательного характера, наблюдаются уже после окончания воздействия ИМП и могут продолжаться от нескольких минут до нескольких суток.

Основная идея состоит в том, что долговременные изменения реальной структуры и свойств конденсированных сред связаны с диффузионными процессами, обусловлешЛши разрывом химических связей СК в результате изменения характера возбуждения электронной подсистемы тепловыми колебаниями решетки во темя релаксации поляризации электронно - ядерной спиновой системы. Такое изменение вызвано тем, что сверхтонкое

взаимодействие обуславливает неравновесную населенность триплетных "состояний СК, что и стимулирует реакции их распада.

Образование СК может происходить только из радикальной пары в синглетном состоянии, а необратимый распад СК требует перехода радикальной пары в триплетное состояние. Поэтому скорость химической реакции существенно зависит от синглет-триплетной эволюции радикальных пар. При наложении слабого магнитного поля сингл ет - триплетные переходы индуцируются сверхтонким взаимодействием спинов электронов, заполняющих связи дефектной молекулы, со спином ядра. Это приводит к тому, что переход из синглета в триплет и наоборот может происходить только с одновременным переворотом сшша ядра в сторону, противоположную изменению проекции спина электрона. После воздействия МП в течение времени ядерной спин -решеточной релаксации неравновесная ядерная спиновая система находится в неравновесном состоянии, что изменяет вероятности синглет - триплетных переходов в радикальных парах и, стало быть, скорость химической реакции.

Рассмотренная модель распада СК учитывает влияние поляризации спинов ядер, участвующих в сверхтонком взаимодействии с электронами, формирующими это возбужденное состояние, на синглет - триплетную эволюцию возбужденных состояний СК.

Решались следующие кинетические уравнения, описывающие изменение концентраций дефектов N3 и МТ( соответственно в возбужденных синглетном и триплетом состояниях:

ИМ

Щг = + - + "с "с+ с,

т т *

(13)

= - - <омТ + с, (и)

ш т ■ ■ т ■

ЛГ.5 + + лгс = ^ (15)

Здесь: и //Тт - концентрации возбужденных дефектов соответственно в состояниях 5 н Г при условии, что проекция спина ядра, участвующего в контактном взаимодействии, равна т, С=й1£)ЛГ£> (гор - вероятность захвата диффундирующего дефекта, при котором восстанавливается СК: Л^ -концентрация диффундирующих дефектов), Л^-концентрация дефектов в невозбужденном состоянии, N - полная концентрация СК (дефектов), О) = Vехр(-Еь / кТ), где V, - частота колебаний возбужденного дефекта в

кристаллической решетке ( ч^Ю13 с'1), Еь - энергия активации распада СК в возбужденном состоянии для случая термической активации. Из решения системы (13-15) получено выражение для скорости поглощения тепловой энергии решетки:

где «"-частота перехода СК в возбужденное в состояние, Т, - время одерной спин-решеточной релаксации в земном МП, а N - концентрация СК,. Гп -ядерное гиромагнитное отношение. На основе этого теоретического рассмотрения объяснено обнаруженное В.Н. Давыдовым адиабатическое уменьшение температуры пластины ваАз на величину » 0.3 К при воздействии МП амплитудой Н=1 кЭ и длительностью хр •= 20 с в нормальных условиях.

р приложении выведена итерационная формула, для расчета переходного процесса накопления заряда в нитриде кремния МОНОП элементов памяти.

Основные результаты диссертации и выводы:

1. Предложена модель и на её основе разработана теория долговременных переходных процессов перезарядки локализованных состояний при монополярной инжекции носителей в аморфный диэлектрик МДП структуры, учитывающая пространственное и энергетическое распределение этих состояний в диэлектрике.

2. На основе развитой теории предложены методы определения параметров центров захвата из анализа характеристик накопления заряда. Показана необходимость учета взаимного влияния притягивающих кулоновских центров на захват носителей ввиду малой длины рассеяния по энергии.

3. Методом математического моделирования накопления заряда в МОНОП структурах с учетом хвостов плотности состояний в НК исследовано влияние хвоста плотности состояний на характер долговременных процессов накопления заряда в НК. Определены параметры центров захвата электронов в НК путем сопоставления с экспериментальными характеристиками.

4. Предложен метод определения пространственного распределения захваченного в диэлектрике заряда, основаный на регистрации долговременного изменения напряжения плоских зон, обусловленного туннелированием захваченных носителей в подложку после выключения напряжении записи.

(16)

5. Развита теория деградационных процессов в НК в сильных полях при протекании тока. Сделан вывод о том, что ЦЗ формируются структурными комплексами, в состав которых входят Б^-Н—в! дефекты. Показано, что концентрация этих комплексов убывает с ростом величины протекшего заряда по гиперболическому закону вследствие индуцированной захватом дырок миграции водорода и ето последующего захвата указанными комплексами.

6. Предложен механизм формирования протяженных дефектов в тонкопленочной системе диэлектрик-полупроводник (микропор и микротрещин) и найдены условия их эффективной регистрации с использованием растровой электронной микроскопии в режиме медленных вторичных электронов.

7. Предложен способ определения плотности микродефектов у межфазной границы, основанный на регистрации гистограмм зарядовой стабильности тонкопленочных МДП структур, позволяющий более достоверно выявлять микродефекты по сравнению с выявлением с помощью гистограмм предпробивных напряжений или напряжений утечки, измеряемых при пропускании через структуру постоянного тока.

8. Показано, что ток утечки дефектных МДП структуры (в том числе тонкопленочных после пробоя), ВАХ которых описывается степенной зависимостью, обусловлен переносом электронов по ловушкам хвоста плотности состояний на поверхности микротрещины.

9. Воздействие ИМП на МДП структуры, характеризующиеся внутренними механическими наряжениями, приводит к долговременным изменениям параметров структуры, обусловленным магнитоиндуцированным распадом метастабильных примесно-дефектных комплексов (ПДК) в приповерхностной области кремния, миграцией продуктов распада и последующими реакциями дефектов в системах с диффузией, приводящими к изменениям генерационного времени жизни носителей в приповерхностной области кремния, встронного в диэлектрике заряда, проводимости диэлектрика и зарядовой стабильности МДП структуры.

10. Обнаруженное влияние электрического поля на темп МИДИ генерационного времени жизни в приповерхностной области кремния обусловлено электромиграцией быстродиффундирующих дефектов к границе полупроводник-диэлектрик. Соответствующий коэфффициент диффузии

этих дефектов порядка /)=10''3 см2/с. Методом НЕСГУ обнаружено (совместно с М.Н. Левиным) увеличение концентрации. А-центров и дивакансий в приповерхностной области кремния через несколько суток после воздействия магнитного поля. , .

11. Рассмотрен магнитоиндуцированный распад ПДК в полупроводниковых системах, связывающий его с увеличением населенности возбужденных триплстных состояний дефектов во время релаксации поляризации электронно-ядерной спиновой системы (случай контактного фермиевского взаимодействия). Полученные результаты позволяют объяснить известные изменения реальной структуры и параметров ряда полупроводниковых соединений АШВУ после окончания импульса магнитного поля.

Основные научные результаты изложены в следующих работах:

1. Гергель В.А., Масловский В.М. Переходные процессы при захвате заряда в диэлектриках. Микроэлектроника, 1979. т.8, вып.4, С.357-361.

2. Мальцев А.И., Масловский В.М., Нагин А.П., Поспелов В.В., Сурис РА, Фрсс Б.И.' Пространственное распределение обьеменого заряда в диэлектрике МНОП-сгруктуры. Микроэлектроника, 1976. т.5, С.240-249.

3. Maslovsky V.M., Simanovich E.V. Prolonged storage of electrons in MONOS-stiuctures. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. V.284, (1993), P. 159-166.

4. V.M. Maslovsky, E.A. Vorobyova, S.V. Matorin. Charge Accumulation in MONOS structures with non-uniform distribution of capture centers in silicon nitride. Int. Conf. Dielectric and Related Phenomena. DRP 94, Poland, Abstracts. P. 78-79.

5. Масловский B.M., Нагин А.П. Определение концентрации ловушек в диэлектрике МДП структуры из характеристик накопления заряда. Микроэлектроника, 1981, т.Ю, С.265-268.

6. Личманов Ю.О., Масловский В.М, Накопление заряда в МОНОП структурах с неоднородным распределением Центров захвата в нитриде кремния. Автометрии 1995 Ns4, С 35-42.

7. Масловский В.М., Личманов Ю.О. Характеристики МОНОП-элементов памяти с неоднородным распределением центров захвата в нитриде кремния. Тезисы докладов Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Звенигород 1994), С. 371-372

8. Масловский В.М., Наган А.П. Влияние сильного поля на проводимость плёнок нитрида кремния. Письма в ЖТФ. 1976. вып. 17, С. 777.

9. Масловский В.М., Нагин А.П., Поспелов В.В., О механизме ухудшения запоминающих свойств МНОП структур. Сборник научных трудов по проблемам микроэлектроники. МИЭТ, 1977, вып.34, С.31-35.

10 Мальцев А.И., Масловский В.М., Нагин А.П., Поспелов В.В. Влияние температуры и внешнего поля на стекание заряда в МНОП структурах. Микроэлектроника 1976, >6 5, С. 430-435.

11. Масловский В.М., Нагин А.П., Поспелов В.В., Тюлькин В.М. Кинетика необратимых изменений проводимости нитрида кремния в МНОП структурах. Письма в ЖТФ, 1978, т.4, выл.20, С.1237-1239

12. Масловский В.М., Нагин А.П., Поспелов В.В., Тюлькин В.М. Исследования нестабильности проводимости МНОП структуры связанной с величиной протекшего заряда. ЖТФ 1979, т. 49, № 9, С 1855 - 1861.

13. Масловский В.М., Нагин А.П. Определение концентрации ловушек в диэлектрике МДП-структуры из характеристик накопления заряда. Микроэлектроника, 1981. т.Ю, вып.З, с.265-268.

14. Масловский В.М., Нагин А.П. Изменение сечения захвата электронов ловушками в нитриде кремния при деградации МНОП структуры. Физика поверхностных явлений в полупроводниках. Тезисы докладов 8 совещания, Киев, Наукова думка 1984, часть 2, С.43 -44.

15. Масловский В.М., Нагин А.П., Чернышёв Ю.Р. Накопление заряда в МНОП структуре при инжекции носителей из полевого электрода. Микроэлектроника, 1985, т. 14, С. 239-243.

16. Авторское свидетельство N690995 от 1974г. Запоминающая ячейка. Масапов В.В., Масловский З.М., Цилибин В.И.

17. Авторское свидетельство N734805 . Матричный накопитель для фотоэлектрического ЗУ. Масалов В.В., Масловский В.М., Тишии Ю.И.. Холодцов В.А., Цилибин В.И.

18. Аганин А.П., Нагин А.П. Изменение параметров центров захвата носителей в нитриде кремния при облучении квантами, а также при деградации МНОП структур. Тезисы докладов 4-го Всесоюзного семинара "Пути повышении стабильности и надежности микросхем", Рязань, 1987, С.27.

19. Аганин А.П., Масловский В.М., Нагин А.П. Опредление параметров центров захвата в нитриде кремния МНОП-сгруктуры при инжекции электронов из нолевого электрода. Микроэлектроника, 1988. т. 17, вып.4, с.348-352.

20. Масловский В.М. Об одном механизме деградационных процессов в МНОП-струкгурах. Микроэлектроника, 1987. т. 16, вып.4, с.344-347.

21. Масловский В.М. Тюлмсин В.М. Энергетическое положение электронных и дырочных центров захвата Б нитриде кремния из анализа переходного процесса в МНОП структурах. Тезисы докладов 9-го Всесоюзного симпозиума "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводкихов". Н, 1988, С.78.

22. Масловский В.М. Тюлыаш В.М. Переходные процессы при инжекции заряда в МОНОП структурах: численное моделирование и эксперимент. Материалы 6-й Всесоюзной конференции по физике диэлектриков. Тезисы докладов 1988 г., сер.6, вып.4 (280), С.63. -

23. Авт. свидетельство СССР N999108 от 1981 г. Способ стирания информации в элементе памяти. Власенко В.А., Мальцев А.И., Милошевский В.А., Масловский В.М., Нагин А.П.

24. Патент РФ № 2006966 от 12.11.1990 Способ изготовления МДП - элемента памяти. /Лабудин Г.И., Масловский В.М., Васильев Б.И. Гриценко В.А., Ковтуненко С.А./

25. Золотарев В.И., Масловский В.М., Махов Е.В., Хафизов Р.З. Электрические характеристики МДП-приборов с подзатворньш диэлектриком, полученным фотонно-термическим окислением кремния, Электронная техника, сер.З, микроэлектроника, 1989, вып.1 (130), с.73.

26. Козлитин А.И., Колобов H.A., Масловский В.М., Минаев В.В., Тарасенко В.В.. Исследование дефектности тонких плёнок диоксида кремния методами электрохимическим и растровой электронной микроскопией. Электронная техника, сер. 3, Микроэлектроника, 1989, вып 5(134), С. 14-19.

27. Масловский В.М., Тарасенко В.В. .Исследование дефектности тонких диэлектрических пленок с помощью коронного разряда (сборник материалов совещания-семинара "Аморфные полупроводники и диэлектрики на основе кремния в электронике" (Одесса 1989), Москва 1990, С. 287-291.

28. Масловский В.М., Тишин Ю.И. Элементы памяти динамических СБИС ЗУ и контроль их надеЖ! ти. Тезисы докладов научно-технического семинара "Пути развития элементной базы". Севастополь 1990, с.13.

29. Масловский В.М., Личманов Ю.О., Симанович Е.В. Влияние протяжённых дефектов на пробой тонкоплёночных МДП структур. Письма в ЖТФ, 1993, Т.19, №24, С. 11-16.

30. Maslovsky V.M., Pavlov G.Ya. Effect of electric arc plasma jet treatment on MOS structure reliability. MRS Symp. Froc.1995. Vol 391, P 139.

31 Lichmanov J.O., Maslovsky V.M., Electron conduction of mickrocrack in dielectrics. Thin Solid Films. 1995, V. 277. P 134-136.

32. Бажанов Э.Б. Проводимость дефектных МОП конденсаторов с тонким окислом Материалы 6-й Всесоюзной конференции по физике диэлектриков. Тезисы докладов 1988 г., сер.6, вьш.4 (280), С.63.

33. Патент РФ Ns 1623502. от 5.12.1988, выдан 01.03.93. Способ испытания на надёжность полупроводниковых приборов с МДП структурой. / Климов Ю.А., Масловский В.М., Минаев В.В., Постников С.Н./

34. Масловский В.М., Минаев В.В., Наумов C.B., Постников С.Н. Влияние обработки МДП-структур импульсным магнитным полем на их электрофизические характеристики //Электронная техника сер.З, Микроэлектроника, 1989, вып.5(134), С.59-60.

35. Масловский В.М., Минаев В.В., Наумов C.B., Постников С.Н. Влияние обработан МДП-структур импульсным магнитным палеи на их электрофизические характеристики //Электронная техника сер.З, Микроэлектроника, 1989, вып.5(134), С.59-60.

36. Масловский В.М., Постников С.Н. О механизме влияния слабого магнитного поля на структуру конденсированных сред.//Материалы IV международного научно-технического семинара семинара по нетрадиционным технологиям - Ботевград 1989. София - Горький 1989 г. С.5-14.

37. Климов Ю.А., Масловский В.М., Тарасенко В.В. Долговременная релаксация электрофизических параметров полупроводниковых структур после воздействия магнитным полем. Доклады IV международного научно-технического семинара по неконвенциональным технологиям. Болгария. Ботевград 1989, София-Горький 1989. С. 44-53.

38. Климов Ю.А., Масловский В.М., Тарасенко В.В. Влияние импульсного магнитного поля на ■ электрофизические параметры МДГ1-структур.//Электронная техника сер.З, Микроэлектроника, 1990, вып.5(139), С.20-25.

39. Maslovsky V.M., Kazmina S.A. The built in dielectric charge variation after low magnetic Geld MOS structure treating. XV семинар северо западного региона "Физические и химические явления на поверхностях полупроводников и границах раздела. Электронно - стимулированные процессы в системе диэлектрик-полупроводник. Москва 1990, С 47-48.

40. Климов Ю.А., Масловский М.В. Влияние легирования кремния Gd на долговременные изменения электрофизических параметров МОП структур после воздействия магнитным полем. Электрическая релаксация в материалах и изделиях электронной техники. М. Межвузовский сборник научннх трудов. М. МИЭМ 1990, С. 77-83.

41. Масловский В.М., Постников С.Н., Самсонов Н.С., Холодное К.В. Теоретическая модель изменения структурных комплексов в полупроводниках после воздействия магнитного поля. Материалы V международного научно-технического семинара по нетрадиционным технологиям. Ботевград 1991 г.София-Нижний Новгород,1992,С.8-23.

42. Климов Ю.Л., Масловский В.М., Холодное К.В. Долговременная релаксация параметров полупроводниковых структур после воздействия магнитного поля.//Электронная техника сер.З, Микроэлектроника, 1991, вып.5(144), С.22-26.

43. Kliolodnov K.V., Maslovsky V.M., Samsonov N.S., Microstructure Changes in III-V Compounds Induced by Palsed Magnetic Field Treatment. Material Research Society 1992 Fall Mee'ing. Boston, Abstracts. P.133.

44. Недорезов O.B., Николаев Ю.М., Холодное K.B. Влияние у-облучения и магнитного поля на параметры МДП структур. Тезисы докладов 3-й Всесоюзной конференции "Физика окисных пленок", Петрозаводск 1991 г., Часть 2, С.39.

45. Klimov Y.A., Maslovsky V.M., Borisova L.B., Samsonov N.S., Prolonged Changes of Defect Structures Induced in Semiconductor Systems by Palsed Magnetic Field Treatment, in International Conference on Advanced and Laser Technologies,

' ALT92, Moscow 1992, book of Summaries, P. 58-60.

46. Кадменский А.Г., Кадменский С.Г.,Левин M.H., Масловский В.М., Чернышев В.Е. . Релаксационные процессы в МОП-транзисторах, индуцированные воздействием р чтгеновского излучения и импульсного магнитного поля. Пж ia в ЖТФ, 1993, т.19, в.З, С.41-45.

47. Левин М.Н. Личманов Ю.О., Маслрвсхий В.М. Изменения зарядовой стабильности МДП структур, индуцированное импульсным магнитным полем. Письма в ЖТФ, 1994, т.20, № 4, С. 26-30.

48. Масловский В.М., Климов Ю.А., Самсонов Н.С., Симанович Е.В., Изменения электрофизических параметров систем Si-Si02 , индуцированные импульсным магнитным полем. ФТП, 1994, т. 28, № 5, С. 772-777.

49. Масловский В.М., Симанович Е.В. Гистограммы зарядовой стабильности МДП структур и их изменение, индуцированное импульсным магнитным полем. Материалы докладов научно-технического семинара Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Москва. 1994. С 104-109. •

50. Maslovsky V.M., Lichmanov J.О. Samsonov N.S. Charge stability of Si-Si02 systems and its changes induced by pulsed magnetic field treatment. Physics Letters A. 1995. V. 197. P. 253-256.

51. Levin M.N., Maslovsky V.M. Correlation of electric parameters change and structural changes induced in silicon systems by pulsed magnetic field treating. MRS Symp. Proc. Ser. Defect-Interface Interactions, 1994, Vol 319, P 429 - 434.

52. Levin M.N., Maslovsky V.M. Relaxation processes induced in Si-Si02 systems by ionizing radiation and pulsed magnetic field treating. Solid State Communications. Vol 90. N 12. 1994. P 813-815.

53. Масловский B.M., Павлов Г.Я., Личманов Ю.О. Изменение электрофизических параметров системы Si-Si02 при воздействии f. облучения, импульсных магнитных полей и электродугового плазменного потока. Материалы докладов научно-технического семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". Москва 1995. С, 181-186.

54. Maslovsky V.M., Simanovich E.V. The influence of the pulsed magnetic fields on MOS structure electrophysical parameters, Abstracts of International conferens "Dielectric and related phetiomena-DRP-92". Г.-lnnd Zakopane 1992, P 75-76.

55. Maslovsky V.M., Klimov Y. A., Lichmanov J.O., Samsonov N.S. Current-voltage characlerictic of Si-Si02 systems changes, inducted by pulsed magnetic field treatment. Intern. Conf. Dielectric and related phenomena, Poland, September 1994, Book of Abstract, P. 178-181,

56. Maslovsky V.M., Lichmmov J.O., Samsonov N.S. Charge Stability of Si-Si02 and Si-SiOj-SijN4 systems and its changes induced by pulsed magnetic field treatment. E-MRS 1994 spring meeting. Strasburg. Final book of abstracts. Simposium A. Abstract A-VI1-XII/P48.

57. Гонтарь B.M., Климов Ю.А., Масловский B.M. Магнитно-индуцированное долговременное изменение реальной структуры кремниевых систем. Тезисы докладов 4-й Всесоюзной конференции» "Физика окисных пленок", Петрозаводск 1994 г., С.26.

58. Масловский В.М., Личманов Ю.О. Долговременные колебания плотности дефектов в кремниевых системах, индуцированные импульсным магнитным полем. Тезисы докладов I Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Звенигород 1994), С. 323-324.

59. Maslovsky V.M. Influence of electric field and temperature on magnetic field induced prolonged changes of electric parameters of silicon systems. MRS Symp. Proc. 1995, Vol 378 Pittsburgh 1995, P. 65-70.

60. Масловкий B.M., Гонтарь B.M. Магнятоиндуцированные долговременные изменения спектра поверхностных состояний в МОП структурах. Тезисы докладов международной научно-технической конферении "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем", Пенза 1995, С 174.

61. Масловский В.М., Климов Ю.А., Личманов Ю.О.. Магнитонндуцированные изменения дефектной структуры полупроводниковых систем. Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95". Тезисы докладов. Москва 1995, С 47-48.

62. Maslovsky V. М., Kazmin O.I., Kazmina S. A. Modeling of charge accumulation in MNOS structures with nonstechioinetric oxide sublayer. MRS 1995 Spring meeting Abstract T 1.6. P 358.

63. Maslovsky V.M., Pavlov G.Ya. Influence of dynamically plasma cleaning on Si-Si02 structures. In Proceedings of the Second International Symposium oil Ultra-Clean Processing of Silicon Surfaces (UCPSS'94),IMEC, Belgium, Brugges, 1994, pp. 83-86.

64. Maslovsky V.M., Kliolodnov K.V., Liclimanov J.O., Samsonov N.S., Sinunovich E.V, Prolonged microstructure changes in Ill-V semiconductor compounds induced by magnetic Д I impulse. Intermug 95 (San Antonio, Texas USA 1995); Abstracts. P. HS-1J.

IУ

О ¡и at га *<х ^