Влияния подвижного положительного заряда на электронную проводимость диэлектрика с неоднородной блокирующей границей

Многослойные компоненты из полупроводниковых, диэлектрических, проводящих слоев являются основой современных микроэлектронных структур. Технология формирования этих слоев постоянно развивается в направлении улучшения воспроизводимости электрических параметров и физико-химических свойств. Одной из базовых технологических задач является управление проводимостью диэлектрических пленок, встраиваемых в активные электронные блоки как на плоской поверхности монокристаллической подложки так и на поверхности зернистых слоев, например, поликристаллического кремния.

Постановка задачи. Проводимость диэлектрических слоев, в том числе на шероховатых поверхностях, достаточно хорошо изучена. Влияние отдельных составляющих заряда на проводимость изолирующих пленок является целью постоянных исследований. Например, влияние отрицательного заряда электронов на ловушках пленки окисла на поликристаллическом кремнии на ее проводимость подробно рассмотрено в работах [1; 2]. Влияние поверхностного заряда заключается в экранировании этим зарядом внешнего электрического поля и сопровождается снижением проводимости окисного слоя. Однако до последнего времени отсутствуют данные о влиянии положительного ионного заряда, подвижного при термополевых нагрузках на электропроводность диэлектрических пленок с неоднородной блокирующей границей. В настоящей статье представлены результаты исследований этого вопроса.

Методика измерений и подготовка образцов. Для исследования использовался комплекс методик, включающий измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) образцов при комнатной температуре, токов ТСП/ТСД тестовых структур в диапазоне температур 30...300 ° С. Проводимость диэлектрического слоя оценивалась по величине электрического поля пробоя Е ПР , соответствующего плотности тока через структуру 10^-6 А/см². Общая плотность подвижных ионов Л _ПЗ в окисле определялась по площади кривых ТТСП/ТТСД.

Измерения проводились на серии образцов, изготовленных термическим окислением поликристаллическо-го кремния (ОПк).

Результаты и обсуждение. Присутствие ионов в ОПк вызывает смещение ВАХ диэлектрика в область меньших электрических полей в широком диапазоне плотнос тей токов от 10-6 А/см2 до 10-10 А/см2 и изменяет наклон ВАХ (рис. 1). Смещение ВАХ уменьшается от максимального уровня в низковольтной части кривой до минимального уровня в низковольтной части. Так, для пары образцов с плотностью подвижного заряда 4 • 1011 см-2 и 4 • 1012 см-2 сдвиг ВАХ составляет 1 МВ/см и 0,2 МВ/см при плотностях токов 10-10 А/см2 (Е < 2 МВ/см) и 10-6 А/см2 (Е > 4 МВ/см) соответственно.

Рис. 1. Вольтамперные характеристики ОПк с различной плотностью подвижного заряда Л _ПЗ в диэлектрике:

1 - Л _ПЗ = 1 • 10¹¹ см^-2; 2 - Л ПЗ = 1 • 10¹² см^-2.

При увеличении содержания ионов Л _ПЗ в ОПк, электрическая прочность Е _ПР окисной пленки на Пк монотонно снижается, а проводимость структуры соответственно возрастает (рис. 2). Так, при увеличении содержания ионов в диэлектрике на 2 порядка электрическое поле пробоя ОПк снижается в 1,5 раза.

Изменение формы и положения ВАХ окисла на поликремнии вызваны возникновением в диэлектрике дополнительного внутреннего электрического поля Е ⁺, направленного вдоль внешнего поля и способствующего росту токов проводимости и уменьшению электрической прочности ОПк [3]. Она вызвана положительным зарядом ионов (рис. 3).

Согласно полученным данным, эта компонента проявляется при слабых электрических нагрузках Е < 2 МВ/см (рис. 1).

Оценим плотность подвижного заряда N _ПЗ, ответственного за появление Е ⁺ по данным ВАХ (рис. 1). Подобно расчету плотности подвижных ионов по сдвигу ВАХ определение N _ПЗ проводилось по сдвигу вольтамперных характеристик Δ V _ПЗ относительно теоретической кривой, соответствующей N _ПЗ = 0, на выбранном уровне плотно-

ряда в окисле на поликремнии, в соответствии с которы-

ми он расположен посередине, и подтверждает заключе-

ние о примерно равном распределении ионов на внутренней и внешней границах раздела. Таким образом, возрастание токов проводимости в низковольтной части ВАХ ОПк вызвано ионным зарядом, размещенным вблизи

сти электрического тока:

Q _ПЗ    C уд ∆ V ПЗ    ε ⋅ ε₀ ⋅∆ E

N _ПЗ === qqq

Рассчитаем плотность подвижных ионов в ОПк (1) для пленки Пк толщиной 50 нм со степенью неоднородности границы ζ = 1,1. В этом случае сдвиг ∆ Е = Е ⁺ на уровне 10^–10 А/см² составляет около 1 МВ/см. Соответствующая этому сдвигу плотность N _ПЗ равна

N ПЗ = ^{ε ⋅ ε0} ⋅ E ^{+ q}

3,8 ⋅ 8,85 ⋅ 10 ^{- 14}

1,6 ⋅ 10 ^{- 19}

⋅ 10⁶ ≈ 2 ⋅ 10¹²см ^{- 2}.

окисленной поверхности Пк.

Появление дополнительных электронных токов при комнатной температуре, вызванных полем положительных ионов, при измерении ВАХ происходит на фоне перераспределения ионного заряда вдоль неоднородной блокирующей границы. Перераспределение ионов при измерении ВАХ происходит непрерывно в соответствии с картой внутренних электрических полей за время τ _рел.

Эффективное время релаксации для окисла кремния τ _рел = 10^–5...10^–3 с [4], поэтому время релаксации подвижного ионного заряда в диапазоне слабых электрических

полей Е

В то же время плотность ионов в этой пленке, изме- ренная методом ТТСП, составляет 4∙1012 см–2.

Рис. 2. Взаимосвязь электрического поля пробоя Е _ПР и средней плотности подвижного заряда N _ПЗ в ОПк

п до 2 МВ/см составляет

τ_рег = τ_эфо ⋅ exp _K ε _⋅ ^a _T = (10 ^{- 5}. ..10 ^{- 3}) ×

1,34 - 4,82 ⋅ 10 ^{- 4}2 ⋅ 10^{6                     (3)}

× exp^{,        ,}                      = 1...600c.

0, 025

Время регистрации ВАХ τ _peг окисла толщиной 50 нм при скорости развертки V _рег = 0,25 В/с в указанных пределах электрических полей до 2 МВ/см составляет:

τ рег

^χSiO 2

ν рег

⋅ E N =

2 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 2 ⋅ 10⁶ 0,25

= 4c.

Сравнение τ _рел и τ _per, оценки N _ПЗ по ВАХ и кривым ТТСП показывают, что только часть заряда ионов, для

которой τ _рел<  τ _per , проявляется в изменении проводимости ОПк.

Изменение рельефа геометрической границы приво-

дит к перераспределению внутреннего электрического поля подвижного заряда ионов. Можно прогнозировать,

Рис. 3. Распределение электрического поля в ОПк вблизи острий Пк

что при увеличении степени неоднородности границы раздела «ОПк–Пк» происходит накопление ионов на остриях Пк и возрастание локального электрического поля. Это сопровождается смещением ВАХ в область слабых электрических полей и уменьшением крутизны ВАХ.

Присутствие подвижного положительного заряда в ОПк и накопление его вблизи острий поликремния приводит к увеличению локальных электрических полей на блокирующей границе Пк и росту проводимости изолирующего слоя. Электрическое поле, вызванное ионным зарядом, накопленным на остриях поликремния, стимулирует инжекцию электронов из поликремния. Влияние заряда подвижных ионов на проводимость окисла с неоднородной геометрической границей раздела усиливается или ослабляется при увеличении или соответственно уменьшении степени шероховатости блокирующей поверхности.

Следовательно, только половина ионов в слое ОПк вносит вклад в изменение внутреннего электрического поля на блокирующей поверхности. Этот результат согласуется с данными расчета центроида подвижного за-