CC BY
34
УДК 537.311.33:621.382
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2004, вып. 3
А. П. Барабан, В. А. Дмитриев, В. Е. Дрозд, Л. В. Милоглядова
ЗАРЯДОВАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ СТРУКТУР Si-Hf02 И Si-Zr02
\ *
В настоящее время дальнейший прогресс микроэлектроники связывается с попытками замены доминирующего подзатворного диэлектрика SiCh на диэлектрические-слои с большей относительной диэлектрической проницаемостью (high к технология). В этом плане к числу наиболее перспективных диэлектрических слоев относятся НЮг, Zr02 и АЬОз, что и обусловило интенсивное исследование электрофизических свойств содержащих такие слои структур кремний-диэлектрик [1-3].
Цель настоящей работы заключалась в изучении изменений зарядового состояния структур Si-НЮг и Si-Zr02l происходящих под влиянием внешних воздействий, характерных для рабочего режима и процессов формирования приборов на их основе. К числу таких воздействий относятся влияние сильного электрического поля и облучение ближним ультрафиолетом (БУФ-облучение, hv < б эВ).
Для исследования зарядового состояния структур кремний-диэлектрик использовалась система электролит-диэлектрик-полупроводник (ЭДП) [4], позволяющая не только определять исходные характеристики структур, но и изучать их полевую стабильность в широком диапазоне электрических полей (до 20 МВ/см) [5] и стабильность по отношению к БУФ-облучению, благодаря спектральной прозрачности электролитического контакта.
Исследовались структуры Si-НЮг и Si-ZrCb, полученные низкотемпературным (около 200 °С) осаждением окисных слоев на монокристаллические подложки КЭФ-5 (111). Толщины окисных слоев измерялись эллипсометрически и составляли 93 нм для НЮг и 100 нм для Zr02, что позволило изучить пространственное распределение зарядов в объеме окисных слоев. Зарядовое состояние структур определялось путем измерения высокочастотных (1 МГц) вольт-фарадных характеристик (ВФХ) в ЭДП-системе. Зарядовая стабильность структур изучалась с помощью метода полевых циклов [5], однако в данном случае для повышения надежности результатов использовались более продолжительные полевые воздействия (режим жесткой деградации), чем обычно при тестировании структур Si-SiCh- БУФ-облучение осуществлялось засветкой ртутной лампой ДРЛ-250. Все измерения выполнены при комнатной
Структуры Si-НЮг и Si-ZrC>2 в исходном состоянии характеризовались незначительным положительным эффективным зарядом. Как показали эксперименты по послойному стравливанию окисных слоев в сочетании с измерением ВФХ, это было следствием существования в окисных слоях зарядов двух знаков: положительного вблизи границы кремний-диэлектрик (примерно 310псм-2 для Si-НЮг и приблизительно 7-10псм-2 для Si-ZrCh) и отрицательного во внешней части окисных слоев (около 15 нм). Плотность поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик не превышала 10г1эВ-1см~2вблизи середины запрещенной зоны кремния. Необходимо отметить гетерогенность исходных характеристик формируемых структур.
На рис. 1 приведены зависимости потенциала плоских зон (Vh,) от напряженности электрического поля в окис-ном слое (Еох), полученные в результате реализации метода полевых циклов на структурах Si-НЮг и Si-Zr(>2.
Видно, что изменения потенциала плоских зон носят немонотонный характер, и всю область
температуре. гГа, Вт
Е , МВт/см
Рис. 1. Зависимости потенциала плоских зон структур ЭЬ-ггОг (1) и Б^НЮг (2) от напряженности электрического поля в окис-ном слое.'
© Д. П. Барабан, В. А. Дмитриев, В. Е. Дрозд, Л. В. Милоглядова, 2004
исследуемых полей можно условно разделить на четыре области (по аналогии с электронными процессами, протекающими в.структурах 31—3102 [2]), как это показано на рис. 1. Полученные зависимости и результаты по послойному стравливанию окисного слоя в сочетании с измерением ВФХ позволили проследить изменения зарядового состояния исследуемых структур в процессе полевого воздействия в выделенных областях. В области полей Е1 изменение У^з ( обусловлено образованием положительного заряда в окисных слоях вблизи границы с кремнием. В области полей Е2 наблюдаемое уменьшение |Улэ| связано с появлением отрицательного заряда во внешней части окисных слоев. В области ЕЗ полевое воздействие вновь приводило к образованию положительного заряда в окисных слоях, величина которого значительно возрастала при дальнейшем увеличении напряженности поля в окислом слое (область полей Е4) вплоть до пробоя исследуемых структур. Выявленное для структур Б^гОг немонотонное изменение потенциала плоских зон в области полей Е1 воспроизводимо и не связано с погрешностью экспериментальных результатов.
В отличие от полевого воздействия влияние БУФ-облучения на структуры БтЮг и ЭЬ-ЪтОъ существенно различалось. В случае структур Э^гОг БУФ-облучение вызывало незначительное (1011см2) уменьшение положительного заряда, локализованного в окисном слое вблизи границы с кремнием. БУФ-облучение структур ЭЬ^гОг после полевого воздействия в области полей Е\ приводило к практически полной нейтрализации образующегося положительного заряда, а последующее полевое воздействие в этой области - вновь к возникновению положительного заряда, который мог быть нейтрализован БУФ-облучением, и т.д. Результаты исследования полевой стабильности структур Эь^гСЬ, подвергнутых предварительному БУФ-облучению, приведены на рис. 2, а. Изменения зарядового состояния облученных структур были аналогичны поведению необлученных структур, но наблюдались большие абсолютные изменения потенциала плоских зон за счет полевого воздействия б полях Е1 и Е2 на облученные структуры Б1-2г02.
Для структур Б1-НЮ2 БУФ-облучение приводило, в отличие от предыдущего случая, к незначительному увеличению эффективного положительного заряда в окисном слое. При этом БУФ-облучение структур после полевого воздействия в области Е1 вызывало еще большее увеличение положительного заряда в окисном слое и практически полную стабилизацию зарядового состояния исследуемых структур. В этом случае ни последующее полевое воздействие, ни БУФ-облучение не меняли зарядовое состояние структур БЬ-НЮг. Как следует из рис. 2, б, БУФ-облучение (при определенных условиях) существенно изменяло вид зависимости Упз(£?ох)., способствуя стабилизации зарядового состояния структур в широкой области полей.
Полученные результаты указывают на существование в слоях НЮ2 и 2т02 электрически активных центров (ЭАЦ), способных захватывать дырки (область полей £1) и электроны (область полей Е2). Различная реакция структур на БУФ-облучение свидетельствует о разной природе ЭАЦ в слоях НЮг и 2т02- БУФ-облучение слоев 2т02 приводит в основном к перезарядке ЭАЦ, появляющихся в процессе формирования структур в^тОа и изменяющих свое зарядовое состояние в результате полевого воздействия." С этим, например, связаны возникновение положительного заряда в области полей Е1 (захват дырок на ловушки в окисном слое) и его последующая нейтрализация БУФ-облучением (захват инжектируемых из кремния электронов на образующиеся положительно заряженные кулоновские центры). БУФ-облучение слоев НЮг вызывает, по-видимому, полную структурную перестройку окис-
Д Вт а
У У
_I___I___I___I___I_■_
'2
"-^лаа-А-А-а-А--*
_1_I_I_I_I_I_|_
О 2 4 6 8 10 12 Ет, МВт/см
Рис. 2. Зависимости абсолютного изменения пЪтенциала плоских зон структур Б^гОг (1), Э1-НЮг (2) от напряженности электрического поля в окисном слое.
1ВФ, 2ВФ - после предварительного БУФ-облучения.
ного слоя, следствием которой является значительное изменение свойств ЭАЦ, образующихся в процессе формирования структур Si-HfCh- Для установления природы ЭАЦ и возможного механизма структурной перестройки в исследованных структурах требуется проведение дальнейших исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант № А03-2.9-798). >
Summary
Baraban А. P., Dmitriev V. A., Drozd V. Е., Miloglyadova L. V. Charge instability Si-НЮг and Si-ZrCh structures.
Change of the charge state of Si-НЮэ and Si-ZrCh structures as a result of field and ultra-violet radiation influence has been studied.
Литература
1. Afanas'ev V. V., Stesmans A. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol..80. N 7. P. 1261-1263. 2. Qi W. J., Nieh R., Lee В. H, et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 77, N 20. P. 3269-3271. 3. Perkins С. M., Tripleti В. В., Mclntyre P. C. // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78, N16. P. 2357-2359. 4. Барабан А. П., Вулавинов В. В., Коноров П. П. Электроника слоев SiC>2 на кремнии. JL, 1988. 5. Барабан А. П., Булавинов В. В., Трошихин А. Г. // Письма в Журн. теор. физики. 1993. Т. 19, № 18. С. 27-30. .
Статья поступила в редакцию 19 декабря 2003 г.
