автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструктивно-технологические методы создания МДП-структур, основанные на исследовании физических и деградационных процессов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕШШ УНИВЕРСЙТЭТ ШЙОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

МАТВЕЕНКО Ирина Петровна

УДК $>1.382.049.77.-192:5390.1.04

ШНСЩ>УКГИВД0-ТЕШЛ0ГИЧЕСК1Ш МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ МДП-СГРУКТУР, ОСНОВАННЫЕ НА ИССЛЕДОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ И ДЕГРАДАЦЙОШЯ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.27.0Г - Твердотельная электроника

и микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа выполнена в Белорусском государственном университет* информатики и радиоэлектроники

Научный руководитель : кандидат технических наук, докторант Ивкин В.Ы.

Научный консультант : кандидат технических наук, докторант Скляров Н.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Борисеяко В.Е. кандидат технических наук Белицкий В.Ф.

Ведущая организация : НПО "Интеграл"

Защита состоится " 12 " удц . 1994 г. в 14 часов

на заседании специализированного совета К 0560502 Белорусского

государственного университета информатики и радиоэлектроники по адресу 220027 г.Минск, ул. П.Бровки, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан " » апреля ¡994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

^Гкаченко А.П.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Тенденция развития микроэлектроники характеризуется усложнением конструкции полупроводниковых приборов, повышением степени интеграции за счет уменьшения размеров элементов ИС и повышения плотности упаковки. Эти задачи, во многом, могут быть успешно решены с помощью МДПШОШИС, обладающих большими потенциальными возможностями. Однако все это приводит и к возникновению проблем, связанных с технологическими трудностями изготовления ЕИО, разработкой новых подходов к проектированию схем, обеспечением требуемого уровня надежности и качества изделий электронной техники. Решение этих проблем включает выявление потенциально ненадежных областей в полупроводниковых приборах и ЙС дта основе измерения таких электрофизических характеристик библиотечных компонентов СБИС как плотность поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик, подвижность и время жизни носителей заряда, а также определение степени деградации этих параметров. А это, в свою очередь, требует совершенствования методов измерения.

Повышение надежности МДП ИС может быть достигнуто за счет оптимизации процесса их изготовления. Технологический процесс производства МДП БИС содержит десятки операций и в связи с этим большое значение имеют работы, связанные с исследованием закономерностей протекания физических и деградационных процессов при формировании и эксплуатации ИС, а также установления их зависимости от конструкции, технологии изготовления, вида и характера внешних, воздействующих факторов, среди которых особо важное место занимает ионизирующее излучение.•

Немаловажно дальнейшее совершенствование методов тестирования, которые включают разработку новых более эффективных способов испытаний элементов МДП БИС на долговременную стабильность и тестовых структур (ТС), позволяющих получить достоверную информацию о качестве принятых решений на стадии отработки конструкции и технологии изготовления СБИС.

Таким образом, актуальным является исследование физических и деградационных процессов, протекающих в элементах ИС в период эксплуатации, определение присущих им закономерностей и разработки на этой основе конструктивно - технологических вариантов МЯП-структур с требуемыми электрофизическими и надежностными характеристи-

каш.

Цель диссертационной работы. Разработка конструктивно - технологических методов создания МДП-структур с учетом закономерностей протекания физических и деградациошыз процессов при формировании и эксплуатации НО.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

установить характер влияния подвижных ионов примесей на изменение электрофизических характеристик МДП-транзистора ( Нот, Нгт,. и )на основе моделирования процессов их взаимодействия с дефектами в подзатворном диэлектрике и на границе полупроводник-диэлектрик;

исследовать влияние малых и больших доз облучения на процессы накопления заряда в подзатворном диэлектрике и на границе полупроводник- диэлектрик через их влияние на составляющие порогового напряжения ¿Vот и лУхт для МДП-транзисторов с различными конструктивно-технологическими параметрами:

разработать метод определения подвижности носителей заряда в неоднородно« канале МДП-транзистора на основе тока Холла с учетом диффузионной, и дрейфовой составляющих тока стока и ТС для реализации этого метода; .

разработать новый способ стимуляции процессов деградации электрофизических характеристик элементов ЫДП БИС, основанный на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и ТС для реализации этого метода;

разработать конструктивно-технологические рекомендации по использованию результатов исследований для повышения долговременной стабильности активных структур МДД ГОС.

Научная новизна.

1. Разработана физическая модель образования электронных состояний в системе 21-ЗЮа при изготовлении МДП БИС, учитывающая взаимодействие подвшсных ионов примесей ( Н", С1~, Р~, Р" ) с ослабленными связями, возникающими на дефектах структуры и при наличии внутренних механических напря«ений, и позволяющая оценить степень влияния этих ионов ва образование поверхностных состояний и заряда, захваченного в окисле;

2. Разработана физико - математическая модель деградации по-

двюсности носителей заряда в канале МДП-транзистора при воздействии ионизирующего излучения дозами 10*. ..10е рад. Установлено, что изменение подвижности связало с изменением объемного и поверхностного зарядов в режимах малой (когда количество радиационно сгенерированных дырок и электронов намного меньше количества соответствуют«: ловупек) и большой (когда количество дырок и электронов намного больше количества ловушек) радиационной генерации через их влияиие на составляющие порогового напряжения для МДП-транзисторов с различными конструктивно- технологическими параметрами.

3. Получено аналитическое выражение для тока Холла в канале МДП-транзистора, позволяющее определить подвижность носителей заряда в неоднородном канале, на основе разработанной физико-математической модели переноса носителей заряда в канале ИДП-транзистора в режиме больших напряжений на стоке ( V» > ЗВ ), учитывающей наряду с диффузионной, дрейфовую составляющую тока стока.

4. Проведены экспериментальные исследования МЩТ-транзисторов с разделенными истоками и различными дозами имплантации фосфора Р (500; 1000; 1500 рКл/см2) в поликремний и последующим его проникновением в подзатворннй диэлектрик и без имплантации Р. Выявлено, что введение Р увеличивает заряд в окисле и заряд поверхностных состояний, но, тем не менее, способствует уменьшению деградации подвижности носителей заряда в процессе испытаний в условиях инжекции горячих носителей за счет большей энергии связи атомов Р с атомами 0 и 81.

5. Обоснован механизм и разработан новый способ стимуляции процессов деградации в элементах ИС, основанный на пропускании ПАВ в полупроводниковом кристалле, приводящих к созданию внутренних механических напряжений, которые способствуют увеличению дефектности материала и, следовательно, влияют на изменение электрофизических характеристик, и позволяющий сократить ( в б...9 раз ) время испытаний ИС и их элементов.

Практическая значимость работы.

I. Разработав метод определения подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-траязистора на основе измерения тока Холла, позволяющий оценить степень деградации подвижности в

процессе работы МДП-транзистора.

2. Установлена зависимость подвижности носителей заряда от объемной и поверхностной составляющих порогового напряжения при малой и большой радиационной генерации, позволяющая оптимизировать конструкцию ( толщину подзатворного диэлектрика > и технологический процесс изготовления НЛП-транзисторов с целью получения заданных электрофизических характеристик ( Мхт, у ).

3. Разработанные рекомендации по изготовлению подзатворного диэлектрика МДП-транзистора, включающие легирование его ионами Р дозами 500-1500 /Лл/см2из фосфбросиликатного стекла при 1=850°С до получения поверхностного сопротивления 30 Ом/о позволяют повысить долговременную стабильность порогового напряжения и подвижности носителей заряда за счет насыщения оборванных связей кремния на границе ЗХ-вЮа и .большей энергии связи Р с и 0.

4. Разработанные ТС и способ испытаний элементов ИС позволяют сократить время испытаний (в 6-9 раз ) за счет стимулирования в этих элементах деградациошых процессов путем наведения ПАВ в полупроводниковом кристалле.

5. Основные результаты диссертационной работы использовались при выполнении трех НИР в МРГИ (г.Минск) и четырех НИР в ПЛИ (г.Пенза). Практическая .ценность полученных в диссертационной работе результатов, подтверждается актами внедрения. Экономический эффект "ут внедрения составил 420. тыс. руб. . в ценах 1992г. Научно-методические результаты диссертационной работы, изложенные в коллективных работах ГЗ, 13, 17], внедрены в учебный процесс ЛПИ.

На защиту выносятся следующие основные положения;

1. Физическая модель образования поверхностных состояний ва границе 81-810? и заряда в окисле с учетом влияния подвижных ионов

С1~, Р~, Р") подзатворного диэлектрика при изготовлении МДЛ-транзисторов.

2. Физико - математическая модель деградации подвижности носителей заряда в канале МДД-травзистора при воздействии ионизирующего излучения дозами 10*...10е рад, основанная на изменении объемной и поверхностной составляющих порогового напряжения, и результаты исследования таких транзисторов при наличии электрического поля в канале (Чо=0...5 В).

3. Аналитическое выражение для тока Холла в канале МДП-транзистора с разделенными истоками, позволяющее определить подвижность носителей заряда в неоднородном канале КЩ-траязистора.

4. Разработанный способ ускоренных испытаний элементов ИС, основанный на пропускании ПАВ в полупроводниковом кристалле, и ТС для его реализации.

5. Результаты экспериментального исследования влияния ионизирующего излучения дозами Ю4-Юв рад и имплантации фосфора дозами 500-1500 ^Кл/см2 на изменение порогового напряжения, подвижности, заряда поверхностных состояний и заряда, захваченного в окисле.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Всесоюзной НТК "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники", Ленинград, 1989 г., на республиканской НТК "Методы оценки и повышения надежности РЭА", Пенза, 1990 г., на VI республиканской НТК "Физические проблемы МДП - интегральной электроники", Севастополь, 1990 г., на республиканской НТК "Надежность и контроль качества изделий электронной техники", Севастополь, 1990 г., на I Всесоюзной НТК "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах", Ялта, Г990 г., на Российской НТК "Методы оценки и повышения надежности радиоэлектронных средств", Пенза, 1991 г., на III Всесоюзной НТК "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов", Кишинев, 1991 г., на республиканской НТК "Надежность и контроль качества изделий электронной техники", Севастополь, 1991 г., на международной конференции "Микроэлектроиика-92", Варшава, 1992 г.

Публикации. По результатам выполненных Исследований опубико-вано 19 печатных работ, в том числе 5 статей, тезисы 7 докладов , 7 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 188 страницах, в т.ч. 116 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц, список литературы на 16 страницах, включающий в себя 141 наименование, и 13 страниц

приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введения обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна работы, ее практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу процессов деградации электрофизических характеристик элементов активных структур УДП БИС, способов их стимуляции и методов измерения.

Рассмотрены основные физические модели деградации подвижности носителей заряда в канале ЮТ-транзистора и плотности поверхностных состояний на границе 21-3102. Показано, что основными причинами изменений этих характеристик является наличие дырочных и электронных Ловушек в оксиде, а также разорваных связей на граяице 51-Ш0з. Отмечено, что большую роль играет наличие примесей в оксиде. Однако отсутствует общая модель, объединяющая разрозненные экспериментальные сведения. Кроме того, не ясно образование новых электронных состояний на границе 81-8102 при участии определенных подвижных ионов примесей . ( !Г,Р",СГ,Р~) при наличии электрического поля.

Проведен анализ различных способов стимуляции деградационных процессов в элементах МДП-гранзистора с точки зрения автомодельно-сти протекания физических процессов и длительности испгтаний. Показано, что существующие способы стимуляции процессов деградации (испытаний) (тепловые, электрические, радиационные, а также их комбинации) несовершенны неоднозначностью ускоряющих процессов, т.к. стимулируются только определенные механизмы отказов, а кроме того характеризуются достаточно большим временем, затрачиваемым на подготовку и проведение испытаний. Показана возможность использования в качестве стимулирующего воздействия поверхностных акустических волн (ПАВ). •

Дава систематизация методов измерения электрофизических параметров МДП-транзисторов (плотность поверхностных состояний на границе 81-8102, подвижность носителей заряда в канале МЛД-травзистора) Показано, что для измерения плотности поверхностных состояний Кхт наиболее эффективным является метод

зарядовой накачки, который позволяет определять не только среднюю Hit в запрещенной зоне, но и распределение Hit в ней, для определения подвижности р - метод тока Холла, который в существующем варианте позволяет определить ¡л только в однородном канале и не позволяет оценить, как деградирует р в процессе работы МДП-транзистора.

На основании анализа работ, посвященных методам контроля электрофизических параметров БИС, показано, что измерения токов утечки между областями истока и стока, ВАХ, порогового напряжения не позволяют проводить детальный анализ причин отказов элементов БИС. Более подробную информацию о путях и методах повышения качества и надежности элементов БИС можно получить при анализе изменений параметров МДП-транзисторов, характеризующих условия протекания процессов деградации, а именно, плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник- диэлектрик, плотности заряда, захваченного в окисле, подвижности носителей заряда.

Результаты проведенного анализа позволили сформулировать задачи исследования и пути их решения.

Во второй главе рассматривается физическая модель образования электронных состояний в системе Sl-SiCa при изготовлении МДП БИС.

В основу модели положен факт наличия разорванных и ослабленных связей, возникающих на дефектах структуры и при создании внутренних механических напряжений, а также взаимодействия ионов, атомов и радикалов примесей с этими связями и между собой.

На основе химических уравнений показано, что взаимодействие атомов, ионов и радикалов примесей (H*,0", 0H",N",F",Cl",P") с материалом SlCh и с границей раздела Sl-SiOa приводит к изменению как объемного заряда в подзатворном диэлектрике, так и плотности поверхностных состояний на границе полупроводник- диэлектрик за счет насыщения уже существующих разорванных химических связей S1 и образования новых ненасыщенных связей, которые в последующих процессах выступают как электронные (при взаимодействии с Н~,Р") или дырочные (при взаимодействии F", С1") ловушки. Модель позволяет качественно оценить влияйие примесей на плотность поверхностных состояний Nit. Показано, что взаимодействие Н'.'ОН с границей раздела полупроводник-диэлектрик приводит к уменьшению Nit, а 1Г, Н"; F",P"-k увеличению Hit при изготовлении

МДП-транзисторов.

Рассматривается физико-математическая модель подвижности носителей заряда в канале интегрального МДП-транзистора при воздействии ионизирующего излучения, учитывающая процессы накопления заряда в подзатворном диэлектрике Оот и образования заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик Qit через m влияние, в первую очередь, на составляющие смещения порогового напряжения

tox

q г to«-* aVot= - - Pr (x,t)d X;,

Сок ^ t-ox

о

AV^k^to.fl^-D) ,

где to* - толщина подзатворного диэлектрика; х - глубина проникновения в диэлектрик индуцированных носителей заряда электронов п(х) и дырок р(х), Рт(хД)-часть дырок, которая захватывается ловушками в диэлектрике, а, К- импирические коэффициенты, D- доза излучения.

Pr(x.t) отражает процесс накопления объемного заряда, который зависит от концентраций и глубины залегания ловушек различной природы, эффективного сучения захвата и концентраций носителей заряда, а также их дрейфовой скорости.

Модель позволяет повысить точность определения значения подвижности при воздействии доз излучения Ю4 + 10ерад за счет более полного учета физических процессов, происходящих в диэлектрике, путем введения в кинетическое уравнение

. к орТрР(х)№гр <Х) -opTpHvPr (X, t) -СТпТпП (X)Рт (X, t ) +

+опгпп <x)nt (х) -опгпп (х) р (х) , описывающего эти физические . процессы, новых членов, которые описывают уменьшение скорости изменения дырок, захваченных ловушками (2-ой член уравнения)» рекомбинацию электронов с дырками уже захваченными ловушками (3-ий член уравнения) и захват электронов электронными ловушками (4-ый член уравнения), в отличие от существующих моделей, учитывающих только процесс захвата дырок в пустые ловушки (1-ый член уравнения) и процесс рекомбинации дырок с легирующими электронами (5-ый член уравнения).

Выделены режимы малой (р(х) « Ntp(x), n(x) « N-m(x) и большой (р(х) » Нтр(х). п(х) » Нтп(х)) радиационной генерации (в первом случае количество радиационно сгене-рироватиа дырок и электронов намного меньше, чем количество соответствующих ловуиек, а во втором случае больше), определяющие изменение объемного заряда в подзатворном диэлектрике и, следовательно, объемной составляющей порогового напряжения.

В третьей главе ' рассматривается способ определения

подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора

методом тока Холла на основе полученного аналитического выражения,

учитывающего разработанную диффузионно-дрейфовую модель переноса'

носителей заряда в ИДН-транзисторах при больших напряжениях на

стоке (Vd >ЗВ) в рамках теории рп* перехода (для п - канальных

МДП-транзисторов) и изотипных параллельно включенных пп*- и

п*п-переходов, возникающих на границе канал-сток под действием Vo:

12

1н (у) = - р» ро Н —— W D *

Vd q w Про ехр{ Ч }

? Dn Ph«d q Dn Про

--- Ц.

("I)1*

th " L cos ^y* 1 я у

(2k * I)a

I =о

где ми-холловская подвижность; Н - магнитная индукция; I, I и Б - длина, ширина и глубина канала, соответственно; дрейфовая

подвижность, Про- равновесная концентрация электронов в р-области; рп+о- концентрация дырок в п4-области; п»-концентрация электронов в п-области; рР- концентрация дырок в р-области;

<(Лг)>-усредненннй по глубине канала потенциал; й., Д>-коэффициенты диффузии электронов и днрок; 1п, 1.р-диффузионная

2

длина электронов и. дырок.

Аналитическое выражение было получено в результате решения двух уравнений Лапласа, определяющих составляющие плотности холяовского тока вдоль оси Ох и Oy с соответствующими граничными условиями, дня МДП-транзистора с разделенными истоками. Помещенного в магнитное поле (ри^оН << I) при приложении электрической нагрузки.

Разработаны тестовые структуры для реализации метода определения подвижности а неоднородном канале МДП-транзистора, а также измерения плотности поверхностных состояний на границе Si-SlOj методом зарядовой накачки и заряда, захваченного в окисле, путем выделения его из общего. заряда емкости затвор-подложка.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования процессов деградации элементов МДП-транзисторов. Исследовано влияние иовизируоде^о излучения дозами 10*-10е рад от источника Со®° на деградацию тока стока Id, порогового напряжения Чт и его составлякщих Vot и Vit, подвижности носителей заряда jj встроенных тестовых МДП-транзисторов с различными геометрическими размерами канала Ii- и р-гипа. Замечено, что характер изменение этих параметров для различных типов МД17- транзисторов одинаков. Показано, что, в соответствии с предложенной моделью, изменение р связано с изменением как объемного, так и поверхностного зарядов через составляющие смещения порогового напряжения дУот и aVit. Адекватность модели подвижности носителей заряда при воздействии ионизирущего излучения подтверждается сравнением рассчитанных зависимостей с экспериментальными. Различие между данными зависимостями в широком диапазоне доз облучения ве превышало 7%.

Реализована методика разделения двух составляющих смещения Vr и, соответственно, объемного заряда и заряда поверхностных состояний, которая значительно проще метода C-V-характеристик. Определенн постоянные коэффициенты аналитических выражений для составлякщих смешения 7т для всех типов Mffll-транзисторов.

Экспериментально установлена лилейная зависимость деградации подвижности $jo1 от смещения порогового напряжения

a7t=a7ot+aVit, а также зависимости ¡j, а7т и его составлякщих д7от и aVit от дозы ионизирующего излучения.

Исследовано влияние электрических режимов испытаний на

характер и скорость изменения электрофизических характеристик (g.V-r.fj.NiT.Nor) МДП-транзистора с разделенными истоками, легированного ионами фосфора дозами 500; 1000; 1500/Л£л/см2 и нелегированного, при толщине подзатворного диэлектрика ЗОпм и 35пм. Проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных зависимостей. Установлено, что введение фосфора в лодзатворный диэлектрик приводит к некоторому повышению порогового напряжения и уменьшению подвижности носителей заряда. Шявлена степень влияния изменения Hit и Not на р при проведении временных испытаний MIJI-транзисторов. Показано, что введение фосфора, не смотря на увеличение поверхностных электронных состояний, способствует уменьшению деградации характеристик МДП-транэистора в процессе испытаний при инжекции горячих носителей за счет большей энергии связи атомов фосфора с атомами кремния и кислорода в SiO* и на границе Sl-Si0a, т.е. способствует повышению долговременной стабильности МДП БИС.

Разработаны рекомендации по созданию более стабильного подзатворного окисла, основанные на легировании его ионами фосфора (дозами 500-1500 рКл/см2) из фосфоросиликатного стекла при t=850°C до получения поверхностного сопротивления 30 Om/q.

В пятой главе рассматривается разработанный способ стимуляции процессов деградации в активных элементах МДП-транзисторов, основанный на пропускании поверхностных акустических волн (ПАВ) в полупроводниковом кристале и ТС для реализации этого способа.

Показано, что распространение ПАВ сопровождается созданием растягивающих и сжимающих внутренних напряжений, которые способствуют повышению эффективности взаимодействия дислокаций и деффектов между собой, что приводит к изменению электрофизических характеристик элементов МДП-траязисторов.

Получено аналитическое выражение для -напряжения, которое необходимо для создания такой ПАВ в кристалле, которая способствует ускорению деградацжшных процессов при сохранении автомодельности их протекания, позволяющее оценить режимы испытаний:

I

г Nj Ed v

и„ =

h N С (а) Рс п -и /2 (cos д > р

<л> А <Гп t (1-6"™) а

где присутствуют конструктивные параметры: Н - количество пар тонкопленочных проводников в отражательной структуре; G(a)Pc-o^<cos 4) - амплитудный фактор; V - обазм испытываемого МДП-транзистора; А - площадь поверхности распространения акустической волны; х - расстояние, на котором определяется степень затухания волны;

йараметры материала полупроводникового кристалла: h -пъезоконстанта; р - удельная плотность материала; Гп - скорость распространения акустической волны в кристалле; у - коэфициент поглощения поверхностной акустической волны; Её - энергия образования одного дефекта;

параметры, которые выбираются из анализа физических процессов при прохождении поверхностных акустических волн: lid - концентрация дефектов; о» - основная частота; i - время испытаний; с« -эмпирический коэффициент.

Для сравнительной оценки эффективности стимуляции процессов развития отказов проведены испытания МДП-транзисторов при пропускании ПАВ и без пропускания ПАВ в аналогичных некритических режимах. Установлено, что при Uo = 6-15 В достигается повышение скорости процессов деградации и, соответственно, сокращение (в 6-9 раз) времени испытаний элементов ИС..

Для реализации предложенного способа стимуляции разработаны конструкция ТС, которая представляет собой испытываемый МДП-транзистор и резонатор ПАВ, сформированные в одном полупроводниковом 1фисталле. а так же технология изготовления ТС.

Полученные результаты позволяют рекомендовать способ стимуляции процессов деградации при помощи ПАВ для использования при проведении сравнительной оценки надежности различных конструктивно-технологических вариантов элементов ИС и фрагментов кристаллов, а также для изучепия процессов развития отказов.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении представлена акты внедрения результатов диссертационной работы и пояснения к программе расчета ВАХ МДП-транзистора при воздействии ионизирующего излучения, совместимой с программой SPICE.

выводи

1. Проведенный анализ процессов деградации электрофизических характеристик активных структур МДП БИС! показал необходимость создания физических и физико - математических моделей, реально отражающих процессы, протекающие в элементах ИС, при их изготовлении и эксплуатации,, позволил определить наиболее эффективные методы измерения параметров, характеризующих надежность МДП-транзисторов ( для определения подвижности - метод холловского тока, для определения плотности поверхностных состояний - метод зарядовой накачки ), а анализ существующих способов стимуляции процессов деградации показал необходимость и возможность создания способа испытаний, основанного на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

2. Разработана физическая модель образования электронных состояний в системе Si-SiOa при изготовлении МДП БИС, раскрывающая механизм и степень влияния атомов, ионов и радикалов примесей в подзатворном диэлектрике на образование заряда поверхностных состояний Qit и заряда, захваченного в окисле Оот. Показано, что наличие Н'. ОН- приводит к уменьшению Hir, а присутствие ff1", N' •, F", Р", С1' - к увеличению Hit.

3. Разработала физико - математическая модель деградации подвижности носителей заряда в канале МДП-транзистора При воздействии ионизирующего излучения дозами 10*...10° рад, учитывающая процессы накопления заряда в окисле и на границе полупроводник- диэлектрик через их влияние на составляющие порогового напряжения aVot и aVit. Выделены режимы малой (р(х) « Nrp(x), п(х) « Ыт»(х)) и большой (р(х) » йтР(х), п(х) » Nth (х)) радиационной генерации, определяющие изменение объемного заряда 6 подзатворном диэлектрике, и, следовательно, смещение объемной составляющей порогового напряжения aVot. Показано, что уменьшение толщины подзатворного оксида tox приводит к уменьшению aVot. Экспериментально установлена линейная зависимость между деградацией подвижности и смещением порогового напряжения aVt = aVot +■ aVit.

4. В рамках разработанной физико - математической модели переноса носителей заряда в МДП-транзисторе при больших напряжениях на стоке ( Vd > ЗВ ), которая показывает, что ток стока

определяется как диффузионным, так и дрейфовым переносом в область канал-сток, было получено аналитическое выражение для тока Холла, на основе которого создана методика определения подвижности носителей заряда в неоднородном канале МДП-транзистора.

5. Проведена экспериментальная проверка адекватности аналитического выражения для тока Холла. Установлено соответствие характера расчетных и экспериментальных зависимостей холловскоЯ подвижности от напряжения на затворе и напряжения на стоке. Отклонение между численными значениями ^„в пределах 3 %.

6. Получены экспериментальные зависимости характеристик МДП-транзисторов (Vt, ц. Nit., Not), легированных фосфором Р и нелегированных, от злектрических режимов испытаний в условиях инжекции ГН (дырочная икжекдия и электронная инжекция) и времени испытаний. Показано, что введение Р в подзатвориый диэлектрик способствует уменьшению деградации характеристик в процессе испытаний за счет большей энергии связи атомов Р с атомами S1 и 0. Разработаны рекомендации по повышению долговременной стабильности МДП-траязисторов, включающие ионную имплантацию Р в поликремний дозами 500, 1000 и 1500цКл/см2 из фосфоросиликатного стекла с последующим- его проникновением в подзатворный диэлектрик при t=850°C до получения поверхностного сопротивления 30 Ом/ □.

7. На основании предложенного механизма стимуляции процессов деградации разработаны способ испытаний элементов МДП БИС и ТС для его реализации, позволяющие проводить ускоренную оценку (в 6.. .9 раз) качества и надежности их коструктивно-технологических вариантов путем наведения ПАВ в полупроводниковом кристалле при сохранении характера изменения (автомодельности) электрофизических параметров МДП-структур. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа испытаний.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Разработка и исследование узлов субмикронных КМДП СБИС: Отчет по ПИР / ПЛИ; Рук. Н.Е.Скляров.-Х/д № 86053, госрегистрационннй номер 01.86.008.3496.- Пенза, 1986.- 62с.

2. Исследование и разработка КМОП элементов и методики конструирования на их основе логических. БИС: Отчет по НИР / ППИ;

Рук. Н.Е.Скляров. - 1/д №84037, госрегистрационный # 01.06.009.7060.- Пенза, 1984.- 58с.

3. Исследование КМДП СБИС: Отчет по НИР/ППИ; Рук. Н.Е.Скляров.-Х/д № 87037, госрегистрационный № 01.87.006.7946. -Пенза, 1988.- 80с.

4. Сальникова И.П., Скляров Н.Е., Тамаров В.А./ Определение основных физико-технологических параметров МОП-транзисторов БИС.// Технический прогресс в атомной промышленности. Серия: Организация производства и прогрессивная технология в приборостроении -1989.Вып.8. -с.33-36.

5. Скляров Н.Е., Тамаров В.А., Сальникова И.П. Тестовые структуры для контроля параметров СБИС // Тез. докл. I Всесоюзн. науч. технич. конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники",-Ленинград -1989 -с.45.

6. Скляров Н.Е., Тамаров В.А., Сальникова. И.П. Автоматизированная установка контроля параметров МОП-транзисторов СБИС // Тез. докл. I Всесоюзн. науч. технич. конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники",-Ленинград -1989 -с.53.

7. Скляров Н.Е., Тамаров В.А., Сальникова И.П. Влияние ионизирующего излучения на надежность МДП СБИС. // Тез докл. зональной конференции "Методы оценки и повышения надежности РЭА"-Пенза-1990-с. 58. .

8. Достанко А.П., Ивкин В.М., Сальникова И.П., Горбач В.Б. Метод оценки надежности библиотечных компонентов КМОП БИС //Тез. докл. I Всесоюзн. научн.технич. конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и раднокомпонентов в микроэлектронных информационных системах"- Ялта-1990 -с.22.

9. Ивкин В.М., Сальникова И.П. Метод проведения ускоренных испытаний элементов ИС, основанной на ПАВ // Тез. докл. Российской научн.технич. конференции "Методы оценки и повышения надежности радиоэлектронных средств"-Пенза-1991-е.49.

10. Сальникова И.П., Ивкин В.М. Исследования деградации подвижности носителей заряда в канале МОП-транзистора методом холловского тока// Тез.докл. III Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" - Кишинев-1991-c.163,

11. Ивкин В.М.,Сальникова И.П.. Горбач В.Б. Метод ускоренных

испытаний и контроля надежности МДП-транзисторов.// Тез. докл. респ. науч. техн. конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники"- Севастополь - 1991-е.61. 12. Сальникова И.П., Ивкин В.М., Скляров Н.Е. Методы определения электрофизических параметров элементов структур МДП-транзисторов// Обзорная информация. Серия 47.13.II. Технология и оборудование для произйодства полупроводниковыг приборов и микросхем - Минск - 1991

13.Исследование КМДП-структур: . Отчет по НИР / ПЛИ; Рук. Н.Е.Скляров. - Х/д № 89068, госрегистрационный № 01.89.008.6125. -Пенза, 1991. - 68с.

14. Разработать электрофизические методы отбраковки потенциально ненадежных, кристаллов БИС:' Отчет по НИР/ МРТИ; Рук. А.П.Достанко. - Х/д »90-1048, госрегистрационный № 01.90.004.0478. - Минск, 1991— 52с.

15. Разработать способ ускоренной электротермотренировки технологических вариантов КМОП БИС: Отчет по НИР / МРТИ; Рук. А.П.Достанко. - Х/д № 90-1009, госрегистрационный № 01.90.003.0674. - Минск, 1991 - 39с.

16. Исследование надежности характеристик межсоединений и многослойных тонкопленочных контактов металл-кремний и металл -металл БИС: Отчет по НИР / MFTH; Рук.А.П.Достанко. - Х/д 90-1023, госрегистрационный №01.91.004.4275. - Минск, 1991. - 42с.

17. Сальникова И.П., Ивкин В.М., Пархоменко B.C. Определение тока Холла в неоднородном канале МДП-транзистора// Весд! АН Беларус1, 1992 - » 3-4 - с.94-97.

18. Dostanko А.Р., Ivkln V.M., Salnlkova I.P. The study of the charge carriers mobility degradation In the MOS-translstor channel by means of hall current// SPIE- The International Society for Optical Engineering - 1992 - VI. 1783 International Conference of Microelectronics - pp. 590-599.

19. Dostanko A.P., Ivkln V.M., Salnlkova I.P. The study of the development of failure processes of MOS(MES) LSIC actlv structures with the help of the surface acoustic waves// // SPIE- The international Society for Optical Engineering - 1992 - VI. 1783 International Conference of Microelectronics - pp.128-134.