тов в 5 6 раз. Термообработка предназначена для отжига радиационно-индуцированного заряда в МДП-структурах.

Наряду с выявлением потенциально ненадежных МДП-структур радиационные и ультрафиолетовые излучения могут использоваться для корректировки пороговых напряжений МДП-транзисторов. Рентгеновское излучение с энергией 10...20 кэВ может применяться для изменения термостабильного заряда в слоях двуокиси кремния с пятивалентной примесью. Для МДП-структур с поликремниевыми затворами, легированными фосфором, неотжигаемая часть изменения порогового напряжения составляет 30...70 % от общего изменения порогового напряжения при облучении. Корректировка пороговых напряжений может производиться и с использованием комбинированного воздействия рентгеновского и ультрафиолетового излучений. Воздействие ультрафиолетового излучения с энергией 4...6 эВ на МДП-структуры позволяет регулировать величину неотжигаемой части изменения порогового напряжения. Для корректировки пороговых напряжений может применяться и гамма-излучение.

Создание полевых приборов на основе МДП-структур, параметрами которых можно было бы управлять после их изготовления, открывает новые возможности для применения их в микроэлектронике. Одним из перспективных методов управления пороговым напряжением МДП-транзисторов является изменение зарядового состояния подзатворной системы, включающей в себя подзатворный диэлектрик с электронными ловушками, заполнение которых производится с использованием сильнополевой туннельной инжекции.

Инжекционная модификация может применяться как для создания полупроводниковых приборов на основе МДП-структур с изменяемыми параметрами, так и являться одним из методов создания регулярного наноразмерного рельефа встроенного заряда вдоль межфазовой границы раздела диэлектрик-полупроводник, который позволит создавать квантоворазмерные элементы наноэлектроники - квантовые ямы, точки, проволоки, сверхрешетки [44].

В последние годы для корректировки и изменения зарядового состояния полевых приборов и интефальных схем на основе МДП-структур в процессе их изготовления были разработаны методы, использующие ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Основным недостатком данных методов является то, что при их применении воздействие осуществляется на все приборы, находящиеся на пластине. Это исключает возможность индивидуальной подгонки пороговых напряже-

НИИ Кроме того, они не являются экологически чистыми и требуют для своего применения достаточно сложного оборудования.

Основными проблемами при создании диэлектрических пленок для полупроводниковых приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник, позволяющих управлять параметрами приборов после их изготовления, являются:

- создание требуемой оптимальной структуры диэлектрической пленки, обеспечивающей эффективный захват электронов на ловушки;

- определение режимов сильнополевой туннельной инжекции, позволяющих эффективно заполнять электронные ловушки при минимальном увеличении плотности положительного заряда и поверхностных состояний;

- обеспечение возможно большего времени хранения инжектированного заряда.

Для изменения зарядового состояния подзатворного диэлектрика МДП-структур использовалась сильнополевая туннельная инжекция электронов из кремниевого и алюминиевого электродов в режиме протекания постоянного инжекционного тока. В качестве подзатворного диэлектрика, содержащего электронные ловушки, использовался многослойный диэлектрик на основе двуокиси кремния и слоев ФСС. Применение данного вида диэлектрика, с одной стороны, позволило применить стандартный технологический процесс, а с другой стороны - использовать уже имеющиеся данные о процессах зарядовой деградации слоев в сильных электрических полях.

Выбор оптимальных режимов инжекции заряда и структуры многослойного диэлектрика производился на основе анализа результатов моделирования изменения зарядового состояния МДП-структур в условиях туннельной инжекции с использованием рассмотренных выше моделей.

Анализ изменения ВФХ при инжекции электронов из кремния (положительная полярность А1-электрода) показал, что наряду с накоплением отрицательного заряда в пленке ФСС, приводящего к сдвигу С-V кривых в сторону положительных напряжений, происходит увеличение плотности поверхностных состояний и, следовательно, дефадации фаницы раздела Si-Si02, что может ухудшить параметры профаммиру-емых приборов. На начальном этапе инжекции электронов из А1-элек-трода изменение зарядового состояния МДП-структур характеризуется накоплением отрицательного заряда в пленке ФСС без увеличения плотности поверхностных состояний. Накопление отрицательного заряда в

структуре Si-Si02-OCC-AJ связано с захватом части инжектированных электронов на ловушки в слое ФСС.

На рис. 2.12 представлены зависимости прирашения напряжения середины зоны от величины инжектированного заряда (плотность тока 0,667 мкА/см) при положительной (/, 2, 3) и отрицательной (4, 5, 6) полярности А1-электрода для образцов с различной концентрацией фосфора: 1, 4 ~ 2%; 2, 5 - 1 %; 3, 6 - 0,7 %. С увеличением концентрации фосфора, и соответственно толшины слоя ФСС, возрастает концентрация электронных ловушек в слое ФСС, что приводит к возрастанию скорости и величины накопления отрицательного заряда (см. рис. 2.12 кривые 7 и 4).

Поскольку центроид отрицательного заряда, накапливаемого в пленке ФСС, находится дальше дистанции туннелирования, то при инжекции электронов из кремния он оказывает практически одинаковое влияние на сдвиги AVjQ и AVj. При инжекции электронов из алюминия зависимости AV и AVj от инжектированного заряда имеют тот же характер, что аналогичные кривые на рис. 2.12, хотя абсолютные значения А Vf почти на порядок превосходят абсолютные значения А1, что связано с аналогичным отношением приведенных значений отрицательного заряда к инжектирующей и Si-Si02 границам раздела, соответственно. Таким образом, зная место локализации отрицательного заряда и измеряя приращение напряжения на МДП-структуре AVj, можно

контролировать изменение зарядового состояния образца в про-С в цессе сильнополевой туннельной

инжекции электронов при любой полярности токового импульса, что позволяет проводить прецизионную корректировку пороговых напряжений МДП-приборов.

Установлено, что при инжекции электронов из А1-электрода накопление отрицательного заря-

да может происходить лишь до

о 0,05 о,]о 0,15 0,20 Определенной величины, при

Qinj мКл/см превышении которой за счет

увеличения локального электри-Jnic. 2.12. -Зависимости приращения напряжения середины зоны от величины инжек- веского ПОЛЯ в диэлектрической тированного заряда пленке происходит пробой диэ-

лектрика. Таким образом, при отрицательной полярности А1-электрода инжекция электронов позволяет увеличивать пороговое напряжение МДП-транзистора на величину до I В, а с возрастанием концентрации фосфора в пленке ФСС уменьшается требуемая величина инжектированного заряда для одного и того же изменения зарядового состояния МДП-структуры.

При инжекции электронов из кремния с увеличением концентрации фосфора и ростом толщины слоя ФСС увеличивается диапазон возможных изменений порогового напряжения МДП-транзисторов, который может достигать значений до 6 В. Однако для обеспечения приемлемых значений плотности поверхностных состояний величина инжектированного заряда при подгонке порогового напряжения не должна превышать 0,1 мКл/см. Диапазон токового воздействия при изменении зарядового состояния МДП-приборов целесообразно ограничить 10 ...10~ А/см. Уменьшение амплитуды токового воздействия сопровождается трудностями технической реализации в связи со значительным возрастанием времени инжекции требуемой величины заряда. Увеличение амплитуды токового воздействия приводит к значительному возрастанию вероятности пробоя образца, а при инжекции электронов из Si - к повышению плотности поверхностных состояний и генерации положительного заряда в Si02.

Анализ токов ТСД и релаксации отрицательного заряда в изотермических условиях показали, что при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях отрицательный заряд, захватывающийся в пленке ФСС, можно разделить на две компоненты, одна из которых стекает при отжиге до 473 К, а другая - термостабильная часть заряда, которая начинает релаксировать, лишь при температурах выше 500 К. На наличие двух компонент отрицательного заряда указывает и присутствие в пленке ФСС электронных ловушек с двумя сечениями захвата [43]. Термостабильная часть отрицательного заряда в пленке ФСС наблюдалась также при ультрафиолетовом облучении структур. Это указывает на то, что для получения МДП-приборов с высокой температурной стабильностью после коррекции зарядового состояния структур их необходимо отжигать при температурах не ниже 473 К, а коррекцию параметров проводить с учетом стекания части заряда при отжиге.

В качестве опытного образца приборов с параметрами, управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией, разработан низковольтный слаботочный стабилитрон, представляющий р-канальный МДП-транзи-стор, затвор которого соединен со стоком. Напряжение стабилизации

10 - 692Я

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

таких стабилитронов определяется пороговым напряжением транзистора, а дифференциальное сопротивление - крутизной транзистора. Для этой цели можно применить специальный МДП-транзистор, имеющий длину канала 2 мкм и соотношение длины канала к ширине 2 Ю *. Данная конструкция стабилитрона позволяет получить следующие характеристики: рабочий диапазон тока 3 мкА...5 мА, дифференциальное сопротивление < 500 Ом. Использование в низковольтном слаботочном стабилитроне в качестве подзатворного диэлектрика структур Si02-OCC дает возможность изменять напряжение стабилизации путем инжекции электронов в сильных электрических полях непосредственно на готовых приборах в пределах 2...5 В. Для осуществления инжекции затвор МДП-тран-зистора на кристалле не соединяется со стоком.

Дальнейшее развитие работ по инжекционной модификации с использованием рассмотренных выше процессов изменения зарядового состояния МДП-структур, наряду с разработкой новых видов полевых приборов с изменяемыми параметрами, будет направлено на создание локальных областей инжекционно-индуцированного заряда диэлектрика нанометровых размеров, что откроет возможность формирования стабильных и перестраиваемых квантоворазмерных элементов полупроводниковой наноэлектроники.

МДП-технология и основные направления развития наноэлектроники

Из-за своей коммерческой значимости структура Si-Si02 вызывает громадный научный интерес. Насчитывается около 40000 работ (начиная с 1969 г.), посвященных данной структуре [36]. Однако многие вопросы остаются невыясненными до настоящего времени: детальное понимание механизмов диффузии; взаимные реакции окисляющих и нитридирующих частиц в Si02; механизмы начальной стадии окисления на атомарном уровне; послеокислительные процессы и их зависимость от электрофизических свойств; структура границ раздела; образование дефектов; механизмы деградации.

Несмотря на прекрасные свойства двуокиси кремния (высокое удельное сопротивление, низкая плотность дефектов на границе раздела, высокая температура плавления, большая ширина запрещенной зоны), существуют и определенные недостатки, которые наиболее ярко проявляются с уменьшением топологических размеров, а следовательно, и толщины Si02. Двуокись кремния имеет относительно низкую диэлект-

150 100 50

-Omin, НМ

..... 2. МАТЕРИАЛЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

рическую проницаемость (е = 3,9). 4- Для того, чтобы эффективно управ- 6 лять проводимостью канала при 4 все уменьшающихся топологических размерах МДП-транзисторов, необходимо использовать все более j тонкие слои двуокиси кремния. На рис. 2.13 показана зависимость толщины подзатворного слоя двуокиси кремния от минимального топологи- зоо ческогх) размера [36]. К 2014 г. потребуются диэлектрики с эквивален- Зависимость толщины подзат-ТНОЙ толщиной о,5...о,6 нм. Уже ворного диэлектрика от минимального сейчас есть сведения о создании топологического размера МДП-транзисторов с толщиной диэлектрика 0,8 нм. Однако при толщине < 1,2 нм слои двуокиси кремния теряют свои диэлектрические свойства. Это вызывает необходимость создания альтернативных подзатворных материалов, имеющих эквивалентную толщину < 1,2 нм. Эквивалентная толщина диэлектрика определяется как толщина слоя Si02 с е = 3,9, имеющего ту же емкость, что и альтернативный диэлектрик с большей величиной относительной диэлектрической проницаемости. Эквивалентная толщина подзатворного диэлектрика равна t = tJ (3,9/ед,зл). При толщине < 1,2 нм у Si02 увеличиваются токи утечки затвора, возрастает рассеивание носителей в канале, повышается проникновение примесей, усиливаются деградационные процессы.

Основными проблемами при создании подзатворных диэлектриков на основе двуокиси кремния являются увеличение тока затвора, снижение эффективности управления каналом, снижение надежности [36].

Si02 имеет большую ширину запрещенной зоны ~9 эВ, низкую плотность ловушек и дефектов в объеме, что обусловливает малую величину тока утечки. При толщине Si02 < 3 нм прямое туннелирование будет преобладать над током утечки. Прямой туннельный ток экспоненциально возрастает с уменьшением толщины оксида. При уменьшении толщины оксида на 0,2 нм ток возрастает на порядок. Если за максимально допустимую плотность тока затюра принять 1 А/см, то минимально допустимая толщина Si02 составит -1,3 нм.

Ток стока в МДП-транзисторах с ультратонким подзатворным диэлектриком возрастает с уменьшением толщины Si02 до 1,3 нм, а затем на-