eng
Выпуск #1/2002
Н.Зайцев, Г.Красников, О.Огурцов.
Зарядовые состояния МОП-структур. Стандартизированная терминология
Зарядовые состояния МОП-структур. Стандартизированная терминология
Просмотры: 3982
Практически с момента появления МОП ИС известно, что их надежность и выход годных в значительной степени зависят от вида и величины заряда в подзатворном диэлектрике. До сих пор ведущие полупроводниковые фирмы интенсивно изучают характеристики зарядовых состояний в структуре кремний–термически выращенный оксид кремния. Цель этих исследований – получить предельные значения степени интеграции, быстродействия, потребляемой мощности, надежности и т.п. В конце 70-х годов была предложена система обозначений и названий таких состояний.
Для разработки общей стандартизированной терминологии описания зарядов в оксидах еще в 1978 году Отделением электроники Электрохимического общества и Институтом инженеров в области электротехники и радиоэлектроники был создан специальный комитет, в который вошли ведущие американские, европейские и японские специалисты в области поверхностных явлений в полупроводниках [1]. Возглавил комитет Брюс Дил (фирма Fairchild Camera and Instrument). К работе, длившейся полтора года, привлекались и специалисты в области термического окисления кремния. При выработке стандартной терминологии для описания поведения зарядов в оксиде комитет руководствовался следующим:
· система терминологии должна быть по возможности простой;
· символы и индексы, обозначающие тип заряда, должны соответствовать природе заряда и не должны совпадать с другими обозначениями, принятыми в полупроводниковой терминологии;
· символы различных типов зарядов должны быть такими, чтобы их нельзя было спутать друг с другом.
После длительных и детальных дискуссий в 1979 году терминология была согласована и принята [1]. Были установлены четыре основных типов зарядов, определяющих электрические характеристики системы Si–SiO2 [2,3]. Но до сих пор в вопросах терминологии существуют серьезные разночтения. Отсутствие общепризнанной системы обозначений и названий зарядовых состояний структуры кремний–термически окисленный кремний вносит большую путаницу при обсуждении и интерпретации результатов исследований этих состояний. Что, например, понимать под состояниями, называемыми поверхностными, быстрыми, пограничными? Эти термины означают одно и то же состояние или разные? И это не единственный пример.
Ниже приведены рекомендуемые обозначения и наименования четырех типов зарядов в оксиде (рис.1).
Рекомендуемые обозначения: Q – эффективный заряд, приходящийся на единицу площади границы Si–SiO2 (размерность – Кл/см2); N – число зарядов, приходящихся на единицу площади границы раздела Si–SiO2 (см-2), т.е. N=|Q/q|, где q – заряд электрона.
Знак перед Q может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, какие заряды преобладают – положительные или отрицательные. Величина N, по определению, всегда положительна. Нужно иметь в виду, что Q и N описывают эффективный заряд, приведенный к границе раздела Si–SiO2, в то время как на некотором расстоянии от этой границы действительная плотность заряда может быть значительно больше.
Предлагаемая терминология не относится к незаряженным ловушечным центрам.
Фиксированный заряд в оксиде (Fixed Oxide Charge) – Qf, Nf. Положительный заряд, обусловленный структурными дефектами в слое оксида толщиной менее 2,5 нм у границы раздела Si–SiO2. Этот заряд появляется в процессе окисления кремния, его плотность зависит от среды и температуры окисления, условий охлаждения и ориентации кремния.
Подвижный ионный заряд (Mobile Ionic Charge) – Qm, Nm. Обусловлен присутствием ионов примесей, таких как Li+, Na+, K+ и, возможно, H+. К этому типу заряда относятся также отрицательные ионы (например, гидроксильные группы и др.) и ионы тяжелых металлов, но их подвижность при температурах менее 500°С низка. Необходимо отметить, что тяжелые металлы вносят опосредованный вклад в величину заряда за счет изменения (нарушения) структуры оксида.
Поверхностный захваченный заряд (Interface Trapped Charge) – Qit, Nit. Положительный или отрицательный заряд, обусловленный структурными дефектами поверхности, возникающими в процессе окисления кремния, примесями металлов на границе раздела Si–SiO2 и дефектами, вызванными радиацией или другими аналогичными процессами, приводящими к нарушению связей. Эти заряды локализованы на границе раздела Si–SiO2. Поверхностные состояния, приводящие к появлению поверхностного захваченного заряда, электрически связаны с нижерасположенным кремнием и поэтому могут заряжаться или разряжаться в зависимости от поверхностного потенциала. Большую часть поверхностного захваченного заряда нейтрализует низкотемпературный (~450°С) отжиг в среде водорода. Именно этот тип заряда некоторые авторы и сегодня продолжают называть поверхностными состояниями, быстрыми состояниями, пограничными состояниями и др.
Иногда плотность поверхностного захваченного заряда целесообразно выражать через площадь поверхности и энергию заряда в запрещенной зоне кремния. В этом случае рекомендуется использовать такое понятие, как Interface Trap Density – поверхностная плотность ловушек, обозначаемое Dit (число/cм2.эВ).
Заряд на ловушечных уровнях в оксиде (Oxide Trapped Charge) – Qot, Not. Может быть положительным или отрицательным в зависимости от захвата дырок или электронов ловушками, образованными в объеме оксида в процессе его формирования. Он может возникнуть и в результате радиационной ионизации, инжекционных потоков или других подобных процессов. В отличие от фиксированного заряда его также можно нейтрализовать низкотемпературным отжигом (<500°С), хотя нейтральные ловушки при этом могут остаться.
Необходимо отметить одно важное обстоятельство: при определении эффективной, приведенной к границе раздела Si–SiO2 плотности поверхностного захваченного и фиксированного зарядов используют истинную поверхностную плотность, так как поверхностный захваченный заряд располагается непосредственно на границе раздела Si–SiO2, а фиксированный заряд локализуется около границы Si–SiO2, в слое оксида толщиной менее 2 нм [4]. Поскольку заряд на ловушечных центрах в оксиде и подвижный ионный заряд локализованы во всем объеме оксида, то значения эффективной поверхностной плотности этих зарядов, приведенные к границе Si–SiO2, определяются из выражений [5]
...
где rot(х), rm(х) – истинные объемные плотности захваченного в оксиде и подвижного ионного зарядов, соответственно, а Tox – толщина оксида.
Величину заряда обычно определяют по значению напряжения “плоских зон” (UFB) высокочастотной (измеренной на частоте 1 МГц) волт-фарадной характеристики МДП-структуры. Однако при этом получают суммарный эффективный заряд Qeff, в который входят все типы зарядов. В литературе же под ним часто понимают фиксированный заряд. Это понятие разработчики КМОП БИС широко используют при отработке технологического процесса окисления кремния. Но еще раз подчеркнем, что это эффективный суммарный, а не фиксированный заряд. С учетом (1) и (2) Qeff можно определить как [6]
...
В процессе эксплуатации микросхемы могут подвергаться радиационному, термическому и другим видам воздействия. Это приводит к изменению плотности зарядов, находящихся на границе раздела Si–SiO2 (тип зарядов, согласно приведенной выше градации, не изменяется). Поэтому, приводя величину того или иного типа заряда, необходимо указывать, при каких условиях (эксперимента или эксплуатации) она была получена.
Предложенная терминология [1] поддержана и широко используется специалистами, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах, а также учебные пособия [4] и монографии [5]. Но иногда появляются предложения по модификации стандартизированной терминологии. Так, предложено ввести понятие краевые ловушки (Border Traps) (рис.2), которые автор ассоциирует с
Е'-центрами, расположенными вблизи границы Si–SiO2 в слое толщиной около 3 нм. Эти ловушки легко обмениваются зарядом с кремнием или материалом затвора [7]. По мнению автора, такими Е'-краевыми ловушками (Е'-border traps) может стать часть акцепторных и донорных уровней. При этом он исключает из рассмотрения фиксированный заряд в оксиде. Но современная теория процесса окисления кремния и его кинетики построена на предположении существования этого заряда. Разработаны также модели его образования, адекватные результатам экспериментов [5].
С нашей точки зрения, для устранения противоречий, изложенных в работе [7], достаточно ассоциировать часть акцепторных и донорных уровней с радиационно-индуцируемыми в оксиде Е'-центрами, поскольку они распределены по всему объему оксида, а также с Е'-центрами, относящимися к фиксированному заряду. В этом случае необходимость в ревизии терминологии Брюса Дила отпадает.
Литература
1. B.E. Deal. – IEEE Trans.Elect.Dev., 1980, v.ED-27, No.3.
2. B.E. Deal.– J.Electrochem.Soc., 1974, v.121, p.188C.
3. Y.C. Cheng.– Prog. Surface Sci., 1977, v.8, p.181.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.– М., 1984.
5. Красников Г.Я., Зайцев Н.А. Физико-технологические основы обеспечения качества СБИС.– М., 1999.
6. Y.Karzhanin, Wei Wu. –1997, IEEE/SEMI Advan. Semic. Manuf. Confer.
7. D.M. Fleetwood. IEEE Trans. Nucl. Science, 1992, v.39, No.2.
· система терминологии должна быть по возможности простой;
· символы и индексы, обозначающие тип заряда, должны соответствовать природе заряда и не должны совпадать с другими обозначениями, принятыми в полупроводниковой терминологии;
· символы различных типов зарядов должны быть такими, чтобы их нельзя было спутать друг с другом.
После длительных и детальных дискуссий в 1979 году терминология была согласована и принята [1]. Были установлены четыре основных типов зарядов, определяющих электрические характеристики системы Si–SiO2 [2,3]. Но до сих пор в вопросах терминологии существуют серьезные разночтения. Отсутствие общепризнанной системы обозначений и названий зарядовых состояний структуры кремний–термически окисленный кремний вносит большую путаницу при обсуждении и интерпретации результатов исследований этих состояний. Что, например, понимать под состояниями, называемыми поверхностными, быстрыми, пограничными? Эти термины означают одно и то же состояние или разные? И это не единственный пример.
Ниже приведены рекомендуемые обозначения и наименования четырех типов зарядов в оксиде (рис.1).
Рекомендуемые обозначения: Q – эффективный заряд, приходящийся на единицу площади границы Si–SiO2 (размерность – Кл/см2); N – число зарядов, приходящихся на единицу площади границы раздела Si–SiO2 (см-2), т.е. N=|Q/q|, где q – заряд электрона.
Знак перед Q может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, какие заряды преобладают – положительные или отрицательные. Величина N, по определению, всегда положительна. Нужно иметь в виду, что Q и N описывают эффективный заряд, приведенный к границе раздела Si–SiO2, в то время как на некотором расстоянии от этой границы действительная плотность заряда может быть значительно больше.
Предлагаемая терминология не относится к незаряженным ловушечным центрам.
Фиксированный заряд в оксиде (Fixed Oxide Charge) – Qf, Nf. Положительный заряд, обусловленный структурными дефектами в слое оксида толщиной менее 2,5 нм у границы раздела Si–SiO2. Этот заряд появляется в процессе окисления кремния, его плотность зависит от среды и температуры окисления, условий охлаждения и ориентации кремния.
Подвижный ионный заряд (Mobile Ionic Charge) – Qm, Nm. Обусловлен присутствием ионов примесей, таких как Li+, Na+, K+ и, возможно, H+. К этому типу заряда относятся также отрицательные ионы (например, гидроксильные группы и др.) и ионы тяжелых металлов, но их подвижность при температурах менее 500°С низка. Необходимо отметить, что тяжелые металлы вносят опосредованный вклад в величину заряда за счет изменения (нарушения) структуры оксида.
Поверхностный захваченный заряд (Interface Trapped Charge) – Qit, Nit. Положительный или отрицательный заряд, обусловленный структурными дефектами поверхности, возникающими в процессе окисления кремния, примесями металлов на границе раздела Si–SiO2 и дефектами, вызванными радиацией или другими аналогичными процессами, приводящими к нарушению связей. Эти заряды локализованы на границе раздела Si–SiO2. Поверхностные состояния, приводящие к появлению поверхностного захваченного заряда, электрически связаны с нижерасположенным кремнием и поэтому могут заряжаться или разряжаться в зависимости от поверхностного потенциала. Большую часть поверхностного захваченного заряда нейтрализует низкотемпературный (~450°С) отжиг в среде водорода. Именно этот тип заряда некоторые авторы и сегодня продолжают называть поверхностными состояниями, быстрыми состояниями, пограничными состояниями и др.
Иногда плотность поверхностного захваченного заряда целесообразно выражать через площадь поверхности и энергию заряда в запрещенной зоне кремния. В этом случае рекомендуется использовать такое понятие, как Interface Trap Density – поверхностная плотность ловушек, обозначаемое Dit (число/cм2.эВ).
Заряд на ловушечных уровнях в оксиде (Oxide Trapped Charge) – Qot, Not. Может быть положительным или отрицательным в зависимости от захвата дырок или электронов ловушками, образованными в объеме оксида в процессе его формирования. Он может возникнуть и в результате радиационной ионизации, инжекционных потоков или других подобных процессов. В отличие от фиксированного заряда его также можно нейтрализовать низкотемпературным отжигом (<500°С), хотя нейтральные ловушки при этом могут остаться.
Необходимо отметить одно важное обстоятельство: при определении эффективной, приведенной к границе раздела Si–SiO2 плотности поверхностного захваченного и фиксированного зарядов используют истинную поверхностную плотность, так как поверхностный захваченный заряд располагается непосредственно на границе раздела Si–SiO2, а фиксированный заряд локализуется около границы Si–SiO2, в слое оксида толщиной менее 2 нм [4]. Поскольку заряд на ловушечных центрах в оксиде и подвижный ионный заряд локализованы во всем объеме оксида, то значения эффективной поверхностной плотности этих зарядов, приведенные к границе Si–SiO2, определяются из выражений [5]
...
где rot(х), rm(х) – истинные объемные плотности захваченного в оксиде и подвижного ионного зарядов, соответственно, а Tox – толщина оксида.
Величину заряда обычно определяют по значению напряжения “плоских зон” (UFB) высокочастотной (измеренной на частоте 1 МГц) волт-фарадной характеристики МДП-структуры. Однако при этом получают суммарный эффективный заряд Qeff, в который входят все типы зарядов. В литературе же под ним часто понимают фиксированный заряд. Это понятие разработчики КМОП БИС широко используют при отработке технологического процесса окисления кремния. Но еще раз подчеркнем, что это эффективный суммарный, а не фиксированный заряд. С учетом (1) и (2) Qeff можно определить как [6]
...
В процессе эксплуатации микросхемы могут подвергаться радиационному, термическому и другим видам воздействия. Это приводит к изменению плотности зарядов, находящихся на границе раздела Si–SiO2 (тип зарядов, согласно приведенной выше градации, не изменяется). Поэтому, приводя величину того или иного типа заряда, необходимо указывать, при каких условиях (эксперимента или эксплуатации) она была получена.
Предложенная терминология [1] поддержана и широко используется специалистами, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах, а также учебные пособия [4] и монографии [5]. Но иногда появляются предложения по модификации стандартизированной терминологии. Так, предложено ввести понятие краевые ловушки (Border Traps) (рис.2), которые автор ассоциирует с
Е'-центрами, расположенными вблизи границы Si–SiO2 в слое толщиной около 3 нм. Эти ловушки легко обмениваются зарядом с кремнием или материалом затвора [7]. По мнению автора, такими Е'-краевыми ловушками (Е'-border traps) может стать часть акцепторных и донорных уровней. При этом он исключает из рассмотрения фиксированный заряд в оксиде. Но современная теория процесса окисления кремния и его кинетики построена на предположении существования этого заряда. Разработаны также модели его образования, адекватные результатам экспериментов [5].
С нашей точки зрения, для устранения противоречий, изложенных в работе [7], достаточно ассоциировать часть акцепторных и донорных уровней с радиационно-индуцируемыми в оксиде Е'-центрами, поскольку они распределены по всему объему оксида, а также с Е'-центрами, относящимися к фиксированному заряду. В этом случае необходимость в ревизии терминологии Брюса Дила отпадает.
Литература
1. B.E. Deal. – IEEE Trans.Elect.Dev., 1980, v.ED-27, No.3.
2. B.E. Deal.– J.Electrochem.Soc., 1974, v.121, p.188C.
3. Y.C. Cheng.– Prog. Surface Sci., 1977, v.8, p.181.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.– М., 1984.
5. Красников Г.Я., Зайцев Н.А. Физико-технологические основы обеспечения качества СБИС.– М., 1999.
6. Y.Karzhanin, Wei Wu. –1997, IEEE/SEMI Advan. Semic. Manuf. Confer.
7. D.M. Fleetwood. IEEE Trans. Nucl. Science, 1992, v.39, No.2.
Отзывы читателей
