Методическое пособие 277
.pdfВследствие того, что существуют больше фононов, обусловливающих потерю энергии при высоких температурах, энергия активации для этого механизма отрицательна и совпадает с энергией оптического фонона 0,06 эВ.
Горячие носители могут быть причиной нескольких проблем в надежности.
Ток подложки, создаваемый ударной ионизацией, может индуцировать биполярную защелку в транзисторах или выдавать 4-входовую защелку в КМОП структурах. Добавочно, горячие носители, инжектированные в затворный окисел, могут приводить к образованию поверхностных состояний и захваченных зарядов в окисле /44/. Результирующая деградация в проводимости и пороговом напряжении может приводить к отказу прибора.
Влияние масштабирования на механизм захвата в окисле может быть оценено следующим образом. Распределение горячих носителей и ударная ионизация или ток подложки экспоненциально зависят от распределения электрического поля в канале области отсечки
II ~exp(–A/E). |
(3.7) |
Очевидно, в наихудшем случае постоянного напряжения источника питания для очень короткой длины канала продольное электрическое поле может быть грубо оценено как обратно пропорциональное длине канала: E~1/lе, где lе - эффективная длина канала. Эмпирически было найдено, что время до определенной степени деградации проводимости или MTTF было обратно пропорционально четвертой степени тока подложки,
MTTF=1/I4. |
(3.8) |
Эти наблюдения могут быть скомбинированы, чтобы показать эффект масштабирования на время жизни, обуслов-
ленное деградацией из-за горячих электронов |
|
MTTFs/MTTFu~exp le(1/k–1). |
(3.9) |
81 |
|
Заключение
В представленной работе рассмотрены физические процессы, происходящие в МОП системах при действии сильных электрических полей и ионизирующей радиации – туннелирования по закону Фаулера-Нордгейма, лавинной инжекции, генерации электронно-дырочных пар. Описаны эффекты, происходящие в МОП структуре при прохождении тока через нее – накопление отрицательного заряда, эффект накопления аномального положительного заряда, генерация ловушек, образование поверхностных состояний. Описано влияние технологии на формирование ловушек в окисле. Сделан вывод об отсутствии единой точки зрения на механизм образования отрицательного и положительного заряда.
Рассмотрены процессы, протекающие в МОПструктуре, ведущие к время-зависимому пробою.
Список литературы
1.Lenzlinger M., Snow E.H. Fowler-Nordheim tunneling into thermally grown SiO2 // J. Appl. Phys. – 1969. – Vol. 40, N 1.
–P. 278-283.
2.Solomon P. High-field electron trapping in SiO2 // J. Appl. Phys. – 1977. – Vol. 48, N 9. – P. 3843-3849.
3.Hosoi T., Akizawa M., Matsumoto S. The effect of Fow-
ler-Nordheim tunneling current on thin SiO2 metal – oxide – semiconductor capacitors // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 57, N 6. – P. 2072-2076.
4.Balland B., Plossu C., Bardy S. Degradation of metal – oxide – semiconductor structures by Fowler-Nordheim tunnelling injection // Thin Solid Films. – 1987. – Vol.148, N 2 . – P.149 – 162.
5.Itsumi M. Positive and negative charging of thermally
grown SiO2 induced by Fowler-Nordheim emission // J. Appl. Phys. – 1981. – Vol. 52, N 5. – P. 3491 – 3497.
6.Balland B., Plossu C., Pinard P., Borel J. MOS structure
undergoing F.N. tunnel injection aging // Extended abstracts of the 82
16th (1984 international) conference on solid state devices and materials, Kobe. – 1984. – P. 103 – 106.
7.Wolters D.R., Van der Schoot J.J. Kinetics of charge trapping in dielectrics // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 58, N 2. – P. 831 – 837.
8.Mikhailowskii I.P., Epov A.E. A model of field (tunnel)
generation of positive charge in thermal silicon dioxide of Si-SiO2 structures / Phys. Stat. Sol. (a).– 1985. – Vol. 92. – P. 615-622.
9.Солдатов В.С., Соболев Н.В., Варлашов И.Б. О природе изменения зарядового состояния МДП структур на кремнии при инжекции носителей заряда в окисел электрическим полем большой напряженности // Депонировано ВИНИТИ. –
1985. - N 3940.
10.Fazan P., Dutoit M., Martin C., Ilegems M. Charge gen-
eration in thin SiO2 polysilicon-gate MOS capacitors // Solid-State Electronics. – 1987. – Vol. 30, N 8. – P. 829-834.
11.Huang C.-L., Grot S.A., Gildenblat G.Sh., Bolkhovsky V. Charge trapping and dielectric breakdown in MOS devices in 77-400 K temperature range // Solid-State Electronics. – 1989. – Vol. 32, N 9. – P. 767-775.
12.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. –
М.: Мир, 1984. – Т. 1. – 455 с.
13.Miura Y., Yamabe K., Komiya Y., Tarui Y. The effect
of hot electron injection on interface charge density at the silicon to silicon dioxide interface // J. Electrochem. Soc. – 1980. – Vol. 127, N 1. - P. 191-194.
14.Itsumi M. Electron trapping in thin films of thermal
SiO2 at temperatures between 30 and 300 K // J. Appl. Phys. - 1983. – Vol. 54, N 4. – P. 1930-1936.
15.Hsu Charles C.H., Pan Sam C.S., Sah Chih-Tang. Trap generation during low-fluence avalanche-electron injection in met- al-oxide-silicon capacitors // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 58, N 3.
–P. 1326-1329.
16.Young D.R., Irene E.A., Di Maria D.J., De Keersmaeker
R.F. Electron trapping in SiO2 at 295 and 77 K // J. Appl. Phys. – 1979. – Vol. 50, N 10. – P. 6366-6372.
83
17.Lai S.K., Young D.R. Effects of avalanche injection of electrons into silicon dioxide generation of fast and slow interface states // J. Appl. Phys. – 1981. – Vol. 52, N 10. – P. 6231-6240.
18.Sah C.-T., Sun Y.-C., Tzou J.J.-T. Study of the atomic models of three donor-like traps on oxidized silicon with aluminium gate from their processing dependencies / J. Appl. Phys. – 1983. – Vol. 54, N 10. – P. 5864-5879.
19.Feigl F.J., Young D.R. The effect of water on oxide and
interface trapped charge generation in thermal SiO2 films // J. Appl. Phys. - 1981. – Vol. 52, N 9. – P. 5665-5682.
20.Fischetti M.V., Weinberg Z.A., Calise J.A. The effect of
gate metal and SiO2 thickness on the generation of donor states at the Si-SiO2 interface // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 57, N 2. – P. 418-425.
21.Gale R., Feigl J. Hydrogen migration under avalanche injection of electrons in Si metal – oxide – semiconductor capacitors // J. Appl. Phys. – 1983. – Vol. 54, N 12. – P. 6938-6942.
22.Aitken J.M., Young D.R. Avalanche injection of holes
into SiO2 // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 1977. – Vol. NS-24, N 6. – P. 2128-2134.
23.Назаров А.И., Гуртов В.А., Кузнецов С.Н., Сергеев М.С. Лавинная инжекция дырок в МДП структурах на кремнии // Микроэлектроника. – 1991. – Т. 20, вып. 3. – С. 260-267.
24.Chen T.P., Li S., Fung S., Lo K.F. Interface trap generation by FN injection under dinamic oxide stress // IEEE Trans. Electron. Dev. – 1998. – Vol. ED-45, N 9. – P. 1920-1926.
25.Sah Ch.-T., Sun J.Y.-Ch., Tzou J.J.-T. Study of the atomic models of three donorlike defects in silicon metal-oxide- semiconductor structures from their gate material and process dependencies // J. Appl. Phys. – 1984. – Vol. 55, N 6. – P. 15251545.
26.Balk P. Hot carrier injection in oxides and the effect on MOS reliability // Proc. 13th Eur. Solid State Device Research Conf. and 8th Simp. on Solid State Device Technology. – Cantenbury, 1983 / Inst. Phys. Conf. – Ser. 69. – P. 63-82.
84
27.Feigl F.J., Young D.R. The effect of water on oxide and
nterface trapped charge generation in thermal SiO2 films // J. Appl. Phys., 1981. - V. 52. - N 9. - P. 5665-5682.
28.Емельянов А.М. Ловушки для электронов в терми-
ческих пленках SiO2 на кремнии // Микроэлектроника, 1986. -
Вып. 15. - С. 434-442.
29.Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. - М.: Высш. шк., 1994. -
544 с.
30.O'Dwyer J.J Theory of high field conduction in a dielectric // J. Appl. Phys., 1969. – V.40, N10. – P. 3887–3901.
31.DiStefano T.N. Dielektric instability and breakdown in SiO2 thin films // J. Vac. Technol., 1976. – V.13, N1. – P. 50–54.
32.Chen I.C, Holland S.E. Hu C. Electrical breakdown in thin gate and tunneling oxides // IEEE Trans. Electron Devices., 1985. – V. ED–32, N2. – P. 413–421.
33.Rider S.I. Time–dependent breakdown of silicon dioxede films//J. Appl. Phys. Lett., 1973. – V. 23. – P. 34.
34.Osborn C.M., Ormond D.W. Sodium–indused barrier– height lowering and dieleсtric breakdown on SiO2 films on silikon
//J. Electrochem. Soc., 1974. – V. 121, N9. – P. 1195.
35.Lin P.S.D., Marcus R.B., Sheng T.T. Leakage and breakdown in thin oxide capasitors–correlation with dekorated stacking faults // J. Electrochem. Soc., 1983. – V. 130., N9. – P. 1878.
36.Harari E. Dieleсtric breakdown in electricalli stessed thin films of thermal SiO2 // J. Appl. Phys., 1978. – V. 49, N4. – P. 24782483.
37.Holland S., Chen I.C., Ma T.P., Hu C. On physical models for gate oxide breakdown // IEEE Trans. Electron Dev. Lett., 1984. – V. EDL–5. – P. 302.
38.Boesh H.E., McGarrity J.M. An electrical technique to measure the radiaticen susceptibility of MOS gate insulators // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1979. – V. NS–26. – P. 4814.
39.Derbenwick G.F. and Gregory B.L. Process optimization of radiaticen – hardened CMOS integrated circuits // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1975. – V. NS–22. – P. 2151.
40.Yamabe K., Taniguchi K. Time-dependent dieleсtric breakdown of thin thermalli grown SiO2 films // IEEE Trans. Electron Dev., 1985. – V. ED–32, N2. – P. 423–428.
41.Crook D.L. Method of determining reliability screens for time dependent dielektric breakdown. 17th Proc. Int. Reliab. Phisics Symp., 1979. – P. 1–7.
42.Lee J., Chen I.C., Hu C. Modeling and charecterization of gate oxide reliability / /IEEE Trans. Electron Dev., 1988. – V. ED–35, N12. – P. 2268.
43.Moazzami R., Hu C. Projecting gate oxide reliability and optimizin reliability screens // IEEE Trans. Electron Dev., 1990. – V. ED–37, N7. – P. 1643–1650.
44.Woods M.H., Euzent B.L. Reliability in MOSintegrated cirquits // Internat. Electron. Dev. Meet. San Francisco, Calif. 9-12, 1984. Techn. Dig. – New York, N. Y., 1984. – P. 128.
85 |
86 |
Учебное издание
Акулинин Станислав Алексеевич Минаков Сергей Алексеевич Проскурина Ирина Станиславовна
ФИЗИКА ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КОМПОНЕНТАХ МОП СБИС
Компьютерный набор С.А.Минакова
ЛР № 066815 от 25.08.99. Подписано к изданию 01.04.2001. Уч.-изд. л. 5,0 “C”
Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14
87