CC BY
32
Электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя №ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.155Н 1994-0408_
Исследование дефектности изоляции и зарядовой дефектности подзатворного диэлектрика МДП-структур с Al и жидкими электродами
77-30569/332441
# 03, март 2012
Драч В. Е., Чухраев И. В.
УДК 621.382
КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected]
Введение
Современный этап развития производства интегральных схем (ИС) характеризуется широким использованием структур Si-SiO2 и создаваемых на их основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Повышение функциональной сложности и степени интеграции МДП-ИС выдвигает новые, более жесткие, требования к их качеству и надежности, которые в значительной степени определяются качеством подзатворного диэлектрика, на долю которого приходится до 50 % отказов схем.
Качество подзатворного диэлектрика обеспечивается как выбором методов его получения и технических средств их осуществления, так и настройкой операций технологического процесса, реализуемых при помощи выбранных методов и оборудования. Управление же операциями возможно на базе информации о временном изменении параметров зарядового состояния и зарядовой дефектности подзатворного диэлектрика в сильных электрических полях, позволяющей определить вклад каждой операции в формирование уровня его качества. Такая информация дает возможность выявить наиболее критичные операции и обеспечивает выбор обоснованных решений по совершенствованию технологического процесса. Однако традиционное использование затвора в виде токопроводящей пленки значительно снижает оперативность управления, так как МДП-структура может быть получена только после проведения операции металлизации. В связи с этим, большой интерес представляет применение в качестве затвора МДП-структур жидкого электрода.
Целью работы является исследование и сравнительная оценка дефектности изоляции и зарядовой дефектности подзатворного диэлектрика МДП-структур с Al и жидкими электродами.
Образцы и методика эксперимента
Исследовалась пленка SiO2-ФСС, изготовленная в заводских условиях на пластинах КЭФ-4,5 кристаллографической ориентацией <100>. Двуокись кремния толщиной 100 нм получали термическим окислением кремния в сухом кислороде при температуре 1000 °С с добавлением 3 % HCl. Пленку фосфорно-силикатного стекла (ФСС) формировали диффузией фосфора из газовой фазы путем пиролиза смеси Р0Cl3-02 при температуре 900 °С. Затем пластины отжигались в атмосфере азота при температуре 1000 °С. Для получения МДП-структур с Al электродом напыляли алюминиевую пленку толщиной
1,2 мкм магнетронным методом, после чего, используя фотолитографию, формировали
2 2
электроды площадью 10-2 см2 и удаляли окисел с обратной стороны пластины.
Послеметаллический отжиг проводили при температуре 475 °С в среде азота. МДП-
структуры с жидким электродом формировались с помощью специального зонда [1] на
открытых участках поверхности пленки SiO2-ФСС в промежутках между Al электродами.
В качестве жидкометаллического электрода использовались ртуть, эвтектическое
соединение галлия с индием и электролитический раствор серной кислоты. Для
обеспечения адекватности режимов исследования и сопоставимости получаемых
результатов площади жидких электродов подбирались равными площади Al электродов и 2 2
составляли ~ 10 см .
Исследования проводились методом управляемой токовой нагрузки [2, 3], заключающимся в изменении амплитуды и полярности токовой нагрузки, прикладываемой к МДП-структуре по специальному алгоритму, и измерении временной зависимости напряжения на образце Ui(t) (рис. 1), на автоматизированной установке инжекционных испытаний (АУИИ) [4].
Рис. 1. Диаграмма изменения токовой нагрузки (а) и временная зависимость изменения
напряжения на МД11-структуре (б)
Для оценки качества подзатворного диэлектрика использовались результаты статистических измерений напряжения микропробоя иМП и заряда, инжектированного в диэлектрик МДП-структур до их пробоя QfnD [5].
За напряжение микропробоя иМП, характеризующее дефектность изоляции подзатворного диэлектрика, принималось напряжение и1, при котором ток зарядки МДП-емкости станет равным нулю (рис. 1, б) и через диэлектрик будет протекать лишь инжекционный ток.
Заряд, инжектированный до пробоя QBtD, характеризует зарядовую дефектность в
условиях инжекции носителей, т.е. инжекционную стойкость МДП-структур -способность выдерживать инжекцию носителей в сильных электрических полях. Его величина определялась из выражения:
QBD = ¿1 • 1 + —2 • - О - С •и2,
где — - плотность инжекционного тока, пропускаемого через МДП-структуру на участке I; —2 - плотность инжекционного тока, пропускаемого через МДП-структуру на участке II; В - время пробоя МДП-структуры; - момент времени переключения импульса тока с амплитуды 11 на 12 (рис. 1); С1 - удельная емкость МДП структуры.
7 2
Плотности тока инжекции на участках I и II (рис. 1) составляли J1=10-' А/см2 и
4 2
/2=10" А/см , соответственно, а полярность токовой нагрузки обеспечивала сильнополевую туннельную по Фаулеру-Норгейму инжекцию электронов из кремниевой подложки.
Результаты и обсуждение
Совмещенные гистограммы распределения МДП-структур с Al и жидкими электродами по напряжению микропробоя и заряду, инжектированному до пробоя, приведены на рис. 2.
Как видно из рис. 2 гистограммы распределения структур по напряжению микропробоя как для случая Al, так и жидких электродов имеют аналогичный характер и 90 % образцов попадают в главный пик распределения. Сравнение гистограмм распределения структур по заряду, инжектированному до пробоя, показывает, что большая часть структур, независимо от материала затвора, имеет QBD в диапазоне 10-4 *
2 2 3 2 2
10"z Кл/см^ , при этом главный пик гистограмм располагается в пределах 10° * 10"z Кл/см . Высоты главного пика гистограмм зарядовой стабильности Н = AN/N для МДП-структур с Al электродом и жидкими электродами на основе Hg и эвтектического соединения InGa близки между собой АН = 0,02 * 0,03 (рис. 2,а,б,в). Применение в качестве материала жидкого электрода МДП-структур электролитического раствора H2SO4 [6] приводит к некоторому уменьшению доли структур, имеющих Qfj > 10-3 Кл/см2 и увеличению
количества структур с QBD < 10-4 Кл/см2, что выражается в снижении высоты главного пика по сравнению со структурами Si-SiO2-ФСС-Al АН = 0,1 (рис. 2,а,г).
Рис. 2. Совмещенные гистограммы распределения по напряжению микропробоя и заряду, инжектированному до пробоя, МДП-структур с подзатворным диэлектриком 8Ю2-ФСС и различными материалами верхнего электрода: (а) - А1; (б) - (в) - эвтектическое соединение 1пОа; г) - электролитический раствор И2804
На основе полученных результатов проводилась сравнительная оценка дефектности изоляции и зарядовой дефектности пленки 8Ю2-ФСС МДП-структур с А1 и жидкими электродами.
Важной характеристикой МДП-структур является инжектированный заряд, при котором начинаются заметные изменения плотности поверхностных состояний и заряда в подзатворном диэлектрике, то есть начинается деградация электрофизических характеристик диэлектрика и границы раздела. В дальнейшем данный заряд будем называть Qfnëf, - инжектированный заряд до начала деградации. Для исследуемых МДП-
структур Qfe составлял 0,75 мКл/см2.
На основе анализа совмещенных гистограмм МДП-структуры для удобства сравнения по характеру дефектности были разделены на следующие группы:
I - структуры, имеющие напряжение микропробоя меньше напряжения питания;
II - структуры, не попадающие в главный пик гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя;
III - структуры из главного пика гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя, у которых < ;
IV - структуры из главного пика гистограммы распределения МДП-структур по напряжению микропробоя, у которых > О^8 •
В таблице представлено процентное содержание МДП-структур с различными материалами верхнего электрода, относящихся к каждой из групп дефектности, и средний
—БЭ
заряд, инжектированный до пробоя , для структур IV группы дефектов.
Сравнительная оценка дефектности МДП-структур с подзатворным диэлектриком БЮ2-ФСС и различными материалами верхнего электрода
Материал верхнего электрода МДП-структур Количество дефектов в группах, % —БЭ ^¿щ ' мКл/см2
I II III IV
А1 2 8 19 71 6,24
^ 2 7 21 70 5,62
Эвтектическое соединение МОа 3 6 18 73 5,96
Электролитический раствор Н2Б04 2 6 31 61 2,49
Как видно из таблицы, применение в качестве материала верхнего электрода МДП-структур Н§ и эвтектического соединения ШОа практически не оказывает влияния на результаты оценки качества исследованной пленки БЮ2-ФСС, которые хорошо коррелируют с результатами, полученными для структур 8ь8Ю2-ФСС-А1. В случае использования электролитического раствора серной кислоты наблюдается снижение процента МДП-структур, имеющих ОБЭ > , и, следовательно, повышение зарядовой
дефектности, что приводит к неадекватности результатов по сравнению с другими рассмотренными электродами.
Выводы
1. Получены статистические распределения МДП-структур с подзатворным диэлектриком БЮ2-ФСС и различными материалами верхнего электрода по напряжению микропробоя и заряду, инжектированному до пробоя.
2. Установлена корреляция между результатами оценки дефектности подзатворного диэлектрика при использовании МДП-структур с Л1 и жидкими электродами на основе ^ и эвтектического соединения InGa.
3. Показана принципиальная возможность использования МДП-структур с жидкими электродами на основе Hg и эвтектического соединения InGa для оперативного получения информации о дефектности изоляции и зарядовой дефектности подзатворного диэлектрика после проведения отдельных технологических операций его формирования до операции металлизации.
Список литературы
1. Бондаренко Г.Г., Чухраев И.В. Формирование структур металл-диэлектрик-полупроводник с жидкометаллическим электродом // Вакуумная наука и техника: Матер. Восьмой науч.-техн. конф. с уч. зарубеж. спец. Москва-Судак, 2001. C. 157-160.
2. Андреев В.В., Барышев В.Г., Столяров А.А. Инжекционные методы исследования и контроля структур металл-диэлектрик-полупроводник. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 256 с.
3. Исследование зарядовой деградации МДП-структур в сильных электрических полях методом управляемой токовой нагрузки / В.В. Андреев [и др.] // Микроэлектроника. 2000. T. 29, № 2. С. 105-112.
4. Драч В.Е., Лоскутов С.А., Чухраев И.В. Автоматизированная установка для исследования параметров диэлектрических слоев МДП-структур // Приборостроение-2001: Сб. тр. Межд. науч.-техн. конф. Винница-Симеиз, 2001. С. 20.
5. Зарядовая дефектность диэлектрических слоев МДП-структур / Г.Г. Бондаренко [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 4. С. 94-99.
6. Бондаренко Г.Г., Чухраев И.В. Системы электролит-диэлектрик-полупроводник при инжекционных исследованиях зарядовой нестабильности диэлектрических пленок // 1-ая Российская конф. молодых ученых по физическому материаловедению: Сб. тез. докл. Калуга, 2001. C. 107-108.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_
Research of insulation defects and charge defects of gate dielectric of MOS structure with Al and liquid electrodes
77-30569/332441
# 03, March 2012 Drach V.E., Chuhraev I.V.
Bauman Moscow Technical University, Kaluga Branch
[email protected] [email protected]
In this article the authors present the results of statistic measurements of the injection voltage and the charge-to-breakdown injected into a gate dielectric. MOS structures with different materials of the upper electrode were used as experimental samples. The authors propose comparative estimation of insulation defects and charge defects of SiO2-PSG film of MOS structures with Al and liquid electrode. The MOS structures with liquid electrodes, based on Hg and InGa eutectic compound appeared to be a good test for investigation of gate dielectric quality before production operation of metallization.
Publications with keywords: gate dielectric, liquid electrode Publications with words: gate dielectric, liquid electrode
References
1. Bondarenko G.G., Chukhraev I.V. Formirovanie struktur metall-dielektrik-poluprovodnik s zhidkometallicheskim elektrodom [The formation of metal-insulator-semiconductor structures with a liquid-metal electrode]. "Vakuumnaia nauka i tekhnika". Mat. 8 nauch.-tekhn. konf. ["Vacuum Science and Technology". Proc. 8th sci.-tech. conf.]. Moscow-Sudak, 2001, pp. 157160.
2. Andreev V.V., Baryshev V.G., Stoliarov A.A. Inzhektsionnye metody issledovaniia i kontrolia struktur metall-dielektrik-poluprovodnik [Injection methods of investigation and control of metal-insulator-semiconductor]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2004. 256 p.
3. Andreev V.V., Baryshev V.G., Bondarenko G.G., Stoliarov A.A., Shakhnov V.A. Issledovanie zariadovoi degradatsii MDP-struktur v sil'nykh elektricheskikh poliakh metodom upravliaemoi tokovoi nagruzki [Investigation of the charge degradation of MOS structures in strong electric fields by the method of controlled current load]. Mikroelektronika, 2000, vol. 29, no. 2, pp. 105-112.
4. Drach V.E., Loskutov S.A., Chukhraev I.V. Avtomatizirovannaia ustanovka dlia issledovaniia parametrov dielektricheskikh sloev MDP-struktur [An automated system for investigating the parameters of the dielectric layers of MOS structures]. "Priborostroenie-2001". Trudy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. ["Instrumentation-2001". Proc. Int. sci.-tech. conf.]. Vinnitsa-Simeiz, 2001, p. 20.
5. Bondarenko G.G., Andreev V.V., Stoliarov A.A., Tkachenko A.JI. Zariadovaia defektnost' dielektricheskikh sloev MDP-struktur [Charge deficiency of the dielectric layers of MOS structures]. Fizika i khimiia obrabotki materialov, 2001, no. 4, pp. 94-99.
6. Bondarenko G.G., Chukhraev I.V. Sistemy elektrolit-dielektrik-poluprovodnik pri inzhektsionnykh issledovaniiakh zariadovoi nestabil'nosti dielektricheskikh plenok [Systems electrolyte-insulator-semiconductor in injection investigations of charge instability of dielectric films]. 1 Ros. konf. mol. uchenykhpofizicheskomu materialovedeniiu. Tez. dokl. [1st Rus. Young Sci. Conf. on Physical Materials Science. Abstr.]. Kaluga, 2001, pp. 107-108.
