Ионные дрейфово-диффузионные процессы в диэлектрических слоях МДП-структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Романов, Валерий Павлович

• Романов, Валерий Павлович
• доктор физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Романов, Валерий Павлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ИОННЫХ ДРЕЙФОВО-ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ДИЭЛЕКТРИКАХ

1.1. Физическая модель

1.2. Плотность потока ионов

1.3. Роль процессов ассоциации и диссоциации

1.4. Общая система уравнений

Глава 2. РАВНОВЕСНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ ПРИ ОТСУТСТВИИ В НИХ ЦЕНТРОВ ЗАХВАТА И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Общий случай диэлектрической неоднородности

2.2. Однородный диэлектрик

2.2.1. Общее решение

2.2.2. Влияние физических и геометрических параметров на пространственное распределение ионов

2.2.3. Предельная концентрация ионов

2.3. Диэлектрик с линейно изменяющейся по координате диэлектрической проницаемостью

2.4. Двухслойный диэлектрик

Глава 3. ДИНАМИКА ИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

3.1. Дрейфово-диффузионная поляризация

3.1.1. Дифференциальное уравнение, описывающее отклик ионной

системы на воздействие малого гармонического сигнала

3 .1.2. Ионная диэлектрическая восприимчивость

3.1.3. Диэлектрические проницаемость и потери

3.1.4. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость

3.2. Неравновесные распределения ионов в однородном диэлектрике

3.3. Нестационарные ионные процессы в двухслойном диэлектрике

Глава 4. ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЗАРЯД В МДП-СТРУКТУРЕ

4.1. Общий подход к нахождению эквивалентного поверхностного заряда

4.2. Эквивалентный поверхностный заряд в МДП-структуре с однородным диэлектриком

4.3. Эквивалентный поверхностный заряд в МДП-структуре с диэлектриком, имеющим линейную зависимость диэлектрической проницаемости от координаты

4.4. Эквивалентный поверхностный заряд в МДП-структуре с двухслойным диэлектриком

Глава 5. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДИЭЛЕКТРИКЕ НА ИОННЫЕ ДРЕФОВО-ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

5.1. Роль концентрационного упругого поля

5.1.1. Равновесные распределения концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля

5.1.2. Концентрационное механическое напряжение

5.1.3. Эквивалентный поверхностный заряд и ионная емкость

5.2. Влияние неконцентрационного упругого поля на ионные процессы

5.3. Решение общей задачи о роли механических напряжений

5.4. Проверка теории на адекватность

5.5. Динамические вольт-амперные характеристики МДП-структур с механически напряженным диэлектриком

5.5.1. Общие положения теории ДВАХ

5.5.2. Моделирование динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур

5.5.3. Экспериментальные ДВАХ МДП-структур и их анализ

5.6. Аппаратура для измерения характеристик МДП-структур

5.6.1. Автоматизированный комплекс для измерения физических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре

5.6.2. Измеритель неравновесных высокочастотных ВФХ МДП-структур

Глава 6. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ МДП-СТРУКТУР

6.1. Основные положения теории

6.2. Равновесные распределения ионов в фосфоросиликатном стекле и двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния

6.2.1. Основные уравнения

6.2.2. Решение, не учитывающее взаимодействие ионов с упругим полем

6.2.3. Общее решение

6.3. Динамические вольт-амперные характеристики структуры

Мо - ФСС - Я02 -

6.3.1. Моделирование ДВАХ

6.3.2. Определение значений физических параметров из анализа

ДВАХ

6.4. Термостимулированные токи в двухслойном диэлектрике

ФСС - диоксид кремния

6.4.1. Моделирование термостимулированных токов

6.4.2. Методика определение значений физических параметров

из анализа кривых ТСТ

6.5. Геттерирование ионов в хлорсодержащем диоксиде кремния

Глава 7. ВЛИЯНИЕ ПОДВИЖНЫХ ИОНОВ В ДИЭЛЕКТРИКЕ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МДП-СТРУКТУРЕ И МДП-ТРАНЗИСТОРЕ

7.1. Нейтрализация ионного заряда

7.1.1. Физическая модель

7.1.2. Механизм заполнения электронных центров захвата, индуцированных подвижными ионами

7.1.3. Равновесное распределение подвижных ионов в переходном

слое диоксид кремния - кремний

7.1.4. Влияние нейтрализации заряда ионов на ДВАХ МДП-структур

7.2. Термоэлектронная полевая эмиссия в диэлектрик МДП-структуры, стимулированная зарядом подвижных ионов

7.3. Двумерное моделирование влияния ИДДГТ в диэлектрике на пороговое

напряжение МДП-транзистора

7.3.1. Двумерная модель МДП-транзистора

7.3.2. Распределение потенциала в полупроводниковой области

транзистора

7.3 .3. Пространственное распределение ионов в двухслойном

диэлектрике ФСС - диоксид кремния МДП-транзистора

7.3.4. Пороговое напряжение МДП-транзистора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВФХ - вольт-фарадная характеристика

ДВАХ - динамическая вольт-амперная характеристика

ИДДП - ионный дрейфово-диффузионный процесс

МДП - металл - диэлектрик - полупроводник

МОП - металл - окисел - полупроводник

НВЧ ВФХ - неравновесная высокочастотная вольт-фарадная характеристика

ТСТ - термостимулированный ток

ФСС - фосфоросиликатное стекло

Ъ й

Е Е.

Е,

Е° и Е»

Еьс и £ *

АЕа е

Р(Ё)

О

8 Н к

■ коэффициент диффузии ионов

• электрическая индукция

■ толщина диэлектрика

• напряженность электрического поля энергия активации

• энергия электрона

• энергия активации электронного состояния, индуцированного натрием

• энергия Ферми

энергии дна зоны проводимости и потолка валентной зоны диэлектрика соответственно

энергии дна зоны проводимости и потолка валентной зоны полупроводника соответственно ширина запрещенной зоны материала заряд электрона

функция распределения Ферми - Дирака темп диссоциации химических комплексов константа скорости процесса диссоциации толщина слоя объемного заряда в полупроводнике постоянная Планка

/ - сила тока

3 - плотность потока ионов

к - постоянная Больцмана

Ь - длина канала МДП-транзистора

I* - длина диэлектрика

Ь8 - длина экранирования

/ - расстояние между соседними потенциальными ямами

т" - эффективная масса электрона

N - полная концентрация ионов

ЫА - концентрация акцепторов в полупроводнике

Nг и - концентрации свободных и захваченных ионов

Ы8 (Е) - плотность состояний в зоне проводимости полупроводника

- концентрация центров захвата ионов п1 - концентрация электронов на центрах захвата

0,,0,г - полный заряд ионов, заряды свободных и захваченных ионов

соответственно, приходящиеся на единичную площадь поперечного сечения диэлектрика Яяя и О-т ~ эквивалентные поверхностные заряды на границах раздела

диэлектрик - полупроводник и диэлектрик - металл соответственно ц - заряд иона

Я - темп ассоциации химических комплексов

г - константа скорости процесса ассоциации химических комплексов

Я - площадь электрода

Т - абсолютная температура

t - время

и - напряжение на МДП-структуре

ио и иа - потенциалы стока и затвора соответственно относительно истока иа - напряжение на диэлектрике

ит - напряжение плоских зон

ш - высота потенциального барьера для иона

х и у - координаты

а - энергетический параметр упругого поля

Ри и Зг - скорости изменения напряжения и температуры соответственно

X - диэлектрическая восприимчивость

Хе - сродство к электрону

8 - относительная диэлектрическая проницаемость

е« - электрическая постоянная вакуума

Ф - энергия взаимодействия иона с упругим полем

Ф - потенциал электрического поля

Ф* - потенциал границы раздела диэлектрик - полупроводник

Фг - температурный потенциал

У - силовой параметр упругого поля

- подвижность иона

v - частотный фактор

Р - объемная плотность заряда

x - время релаксации

о - циклическая частота

* 03 - характеристическая частота

©0 - частота перескока иона из одной потенциальной ямы в другую

в отсутствие электрического и упругого полей

\|/(х) - волновая функция электрона

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ионные дрейфово-диффузионные процессы в диэлектрических слоях МДП-структур»

ВВЕДЕНИЕ

Исследованию ионных дрейфово-диффузионных процессов (ИДДП) в диэлектриках посвящено большое количество работ. Это связано с тем, что с появлением первых полупроводниковых приборов именно ионные процессы, протекающие на поверхности [1] и в объеме [2] диэлектрических слоев, давали значительный вклад в нестабильность электрических характеристик и отказы изделий. Наибольшую нестабильность вызывают ионы водорода и ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия. Технологи, изготавливающие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы на основе кремния с термически выращенной пленкой диоксида кремния, научились в известной мере бороться с ионной нестабильностью. Это достигается за счет пассивации пленок диоксида кремния галогенами, например, хлором при окислении кремния в хлорсодержащей атмосфере [3] или геттерирования ионов щелочных металлов пленками фосфоросиликатного стекла (ФСС) [4], нитрида кремния [5] и другими пленками, наносимыми поверх пленок диоксида кремния. Кроме геттерирующих свойств некоторые пленки, например пленки нитрида кремния, обладают хорошими защитными свойствами [6, 7], предотвращая проникновение подвижных ионов с поверхности в объем диэлектрика.

Следует отметить, что в настоящее время с ионными дрейфово-диффу-зионными процессами не только борются при изготовлении высоконадёжных полупроводниковых приборов, но и используют их при создании энергонезависимых перепрограммируемых запоминающих устройств на основе МДП-ячейки памяти (ячейки памяти на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник) с ионным носителем информации [8].

В развитии представлений о протекании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях можно выделить три этапа. На первом этапе (до 1981 года) в теоретических работах, например [9 - 16], учитывалось лишь участие подвижных ионов в процессах диффузии и дрейфа в электрическом поле. Начало второго этапа в изучении природы ИДДП связано с работами [17-21], в которых показано, что на поведение подвижных ионов в таких диэлектрических слоях, как термически выращенный диоксид кремния в структуре металл - диоксид кремния -

кремний, существенное влияние оказывает упругое поле концентрационного [17-19] и неконцентрационного [20, 21] происхождений. Третий этап в развитии представлений о протекании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках берет начало с работ [22, 23], в которых проведен учет участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации химических комплексов и разработаны основы теории геттерирования подвижных ионов.

Новые возможности в исследовании ИДДП открываются при использовании атомистического подхода к анализу переноса ионов [24 - 28], учитывающего дискретность среды. Он позволяет производить исследование ионных дрейфово-диффузионных процессов в сверхтонких диэлектрических слоях, когда континуальный подход уже не работает.

Работы [13 - 23,26 - 28] являются, по сути дела, основой настоящей диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в разработке теории ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающей участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации химических комплексов, в экспериментальном обосновании теоретических положений и разработке методик нахождения значений электрофизических параметров, характеризующих протекание ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур, и исследовании влияния подвижных ионов в диэлектрике на электронные процессы в МДП-структуре и МДП-транзисторе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ современных представлений о протекании ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, выявить экспериментальные данные, которые не могут быть объяснены с позиции существующей теории и разработать физическую модель ИДДП, устраняющую недостатки предшествующей модели.

2. Разработать теории динамических вольт-амперных характеристик (ДВАХ) МДП-структур и термостимулированных токов (ТСТ) в диэлектрике МДП-структуры, учитывающие взаимодействие ионов с электрическим полем, упругими

полями концентрационного и неконцентрационного происхождений, участие ионов в процессах диффузии, ассоциации и диссоциации химических комплексов.

3. Разработать автоматизированный на базе ЭВМ комплекс для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре.

4. Разработать математическое обеспечение для проведения теоретических исследований ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур и МДП-транзисторов аналитическим методом и методом численного моделирования на ЭВМ и провести такие исследования.

5. Провести экспериментальные исследования ИДДП в диэлектрических слоях МДП-структур методами термостимулированных токов, вольт-фарадных и динамических вольт-амперных характеристик.

Научная новизна работы

1. Разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающая участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации комплексов. Адекватность теории подтверждена результатами исследований распределений концентрации ионов натрия в диоксиде кремния, диоксиде кремния, легированном хлором,и двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, ДВАХ структур А1 - БЮг - и Мо - ФСС - БЮг - и ТСТ в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния структуры Мо - ФСС -БЮг - 81.

2. На основе атомистического метода в одномерном приближении получено аналитическое выражение для плотности потока ионов в диэлектрике, включающее плотности диффузионного, дрейфового электрического и дрейфового упругого потоков. Показано, что в предельном случае слабого электрического и упругого полей выражение для плотности потока ионов, полученное с помощью атомистического метода, совпадает с выражением для плотности потока ионов, полученным с помощью континуального метода.

3. Получены аналитические выражения для равновесных распределений концентрации подвижных ионов, напряженности и потенциала электрического поля по толщине однородного диэлектрика, диэлектрика с линейно изменяющейся по коор-

динате диэлектрической проницаемостью и двухслойного диэлектрика. Аналитическим методом и методом численного моделирования на ЭВМ проведены исследования влияния упругих полей концентрационного и неконцентрационного происхождений на распределения ионов в диэлектрике МДП-структуры, на основе которых предложена методика нахождения параметров упругого поля. В соответствии с этой методикой определены значения энергетического и силового параметров упругого поля в термически выращенных пленках диоксида кремния структуры металл-диоксид кремния - кремний.

4. Получены интегральные соотношения для нахождения ионных эквивалентных поверхностных зарядов на границах разделов диэлектрик - полупроводник

и диэлектрик - металл ()мв МДП-структур с диэлектриком, имеющим произвольную диэлектрическую неоднородность, на основе которых найдены аналитические выражения для в случаях однородного диэлектрика, диэлектрика с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости от координаты и двухслойного диэлектрика. Проведены теоретические и экспериментальные исследования Qss в структурах А1 - БЮг - 81, позволившие найти значения силового и энергетического параметров упругого поля и полного заряда ионов в диоксиде кремния.

5. Разработаны основы теории ионной дрейфово-диффузионной поляризации в диэлектрических слоях. Получено аналитическое выражение для времени релаксации ионной системы и проведены исследования частотных зависимостей действительной и мнимой компонент диэлектрической восприимчивости.

6. Развита теория геттерирования ионов щелочных металлов применительно к хлорсодержащему диоксиду кремния и фосфоросиликатному стеклу в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния и проведены расчеты распределений концентрации ионов натрия в этих диэлектриках.

7. Разработаны теории динамических вольт-амперных характеристик МДП-" структур и термостимулированных токов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающие участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации комплексов. Проведены экспериментальные и теоретические исследования ДВАХ структур А1 - 8Ю2 - и Мо - ФСС - 8102 -81 и ТСТ в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния структуры Мо -

ФСС - БЮг - позволившие разработать методики нахождения значений таких параметров, как величина ионного заряда, энергия активации, частотный фактор, константы ассоциации и диссоциации комплексов и константы взаимодействия ионов с упругим полем.

8. Установлено, что термополевые воздействия на структуру А1 - 8Ю2 - 81 при положительном потенциале на алюминии приводят к частичной нейтрализации положительного заряда ионов в области границы раздела диоксид кремния - кремний. Предложена физическая модель, объясняющая этот эффект, согласно которой нейтрализация ионного заряда осуществляется за счет термополевой эмиссии электронов из кремния на состояния, индуцированные ионами щелочных металлов. Адекватность модели подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями ДВАХ структур Мо - 8Юг - 81. Проведены теоретические исследования термоэлектронной полевой эмиссии из металла в диэлектрик МДП-структуры, стимулированной зарядом подвижных ионов.

9. Проведено двумерное моделирование ионных дрейфово-диффузионных процессов в диоксиде кремния и двухслойной структуре ФСС - диоксид кремния, изолирующих затвор в п-канальных кремниевых МДП-транзисторах, позволившее установить связь пространственного распределения концентрации подвижных ионов с режимами работы транзистора и исследовать влияние ионов на распределение электрического потенциала вдоль границы раздела диэлектрик - полупроводник и на пороговое напряжение прибора. Даны рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-транзисторов на стабильность их параметров и надежность.

Практическая ценность работы

1. Предложенная теория ИДДП расширяет представления о поведении подвижных ионов в диэлектрических слоях. Она позволяет не только учитывать участие ионов в процессах диффузии и дрейфа в электрическом поле, как это делается при традиционном подходе, но и учитывать дрейф ионов в упругих полях концентрационного и неконцентрационного происхождений и их участие в процессах ассоциации и диссоциации комплексов. Это дает новые возможности для проведения ис-

следований ионных процессов в механически напряженных диэлектриках и диэлектриках, обладающих геттерирующими свойствами. Применение разработанной теории ИДДП для анализа экспериментальных данных повышает информативность и достоверность результатов исследований.

2. На основе развитой теории ИДДП разработаны методики нахождения значений таких важных физических параметров, характеризующих протекание ионных процессов в диэлектрических слоях МДП-структур, как величина ионного заряда, энергия активации, частотный фактор, энергетический и силовой параметры упругого поля, константы ассоциации и диссоциации химических комплексов.

3. Разработан и изготовлен автоматизированный на базе ЭВМ комплекс для измерения термостимулированных токов в диэлектрических слоях, вольт-фарадных и динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и обработки экспериментальных данных в соответствии с предложенной методикой нахождения значений физических параметров, характеризующих протекание ИДДП.

4. Разработан и изготовлен измеритель неравновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик, предназначенный для экспрессного определения значений электрофизических параметров МДП-структур.

5. На основе анализа результатов двумерного моделирования ИДДП в диоксиде кремния и в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, п-канального кремниевого МДП-транзистора даны рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-транзисторов с целью оценки стабильности их параметров и надежности.

Положения, выносимые на защиту

1. Ионные дрейфово-диффузионные процессы в диэлектриках в общем случае определяются взаимодействием ионов с электрическим полем и упругими полями концентрационного и неконцентрационного происхождений и их участием в процессах диффузии, ассоциации и диссоциации химических комплексов. Это положение, подтвержденное результатами экспериментальных исследований, лежит в основе разработанной теории ИДДП.

2. Дрейфовый упругий поток ионов в случае слабого упругого поля в линейном приближении может быть представлен в виде суммы двух потоков, один из которых пропорционален концентрации ионов N(x) и силовому параметру у, численно равному силе, действующей на ион со стороны упругого поля, ( ^дрл = (М-/q)yN(x), где q и \i - заряд и подвижность иона соответственно ), а другой поток пропорционален концентрации ионов, градиенту концентрации ионов, энергетическому параметру а, определяющему изменение энергии взаимодействия иона с упругим полем при изменении концентрации ионов на единицу, и обратно

aDN(x)

пропорционален температуре ( ./Д' =--—VN(x), где D - коэффициент диф-

кТ

фузии ионов, Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана ).

3. При высокой концентрации подвижных ионов ( N(x) » кТ/а ) в исходно механически ненапряженном диэлектрике дрейфовый упругий поток ионов концентрационного происхождения ( Jyä"p2 = - удг(х) совпадающий по направ-

кТ

лению с диффузионным потоком ( J0ифф - -DVN(x) ), значительно превышает последний. В этом случае градиент концентрации ионов пропорционален напряженности электрического поля Е(х), а именно VN(x) = (q/ а)Е(х).

4. Увеличение количества подвижных ионов в диэлектрическом слое, заряд которых не компенсирован, приводит к уменьшению длины экранирования электрического поля, которая в пределе бесконечно большого числа ионов стремится к насыщению, определяемому отношением половины толщины диэлектрика к числу ж.

5. Ток эмиссии электронов из металла в диэлектрик МДП-структуры зависит от пространственного распределения подвижных ионов и температуры. С увеличением степени оттеснения ионов к границе с металлом в области соответствующих температур происходит постепенный переход от термоэлектронной эмиссии к термоэлектронной полевой эмиссии и затем к полевой эмиссии электронов из металла.

6. В структурах металл - диоксид кремния - кремний с широкой переходной областью границы раздела Si02 - Si (порядка сотни ангстрем) имеет место частичная

нейтрализация ионного заряда электронным вследствие термоэлектронной полевой эмиссии на состояния, индуцированные ионами натрия в переходном слое.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Конференции "Физические проблемы МДП-интегральной электроники" (Севастополь, 1983 г.);

• Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем" (Гурзуф, 1983 г. );

• III Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" ( Рязань, 1984 г. );

• II Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний изделий электронной техники" ( Суздаль, 1985 г. );

• Всесоюзной научной конференции "Исследование и разработка перспективных ИС памяти" ( Москва, 1986 г.);

• Втором Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" ( Одесса, 1986 г.);

• XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.);

• VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков ( Томск, 1988 г. );

• IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (Новосибирск, 1988 г. );

• Всесоюзной научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" ( Москва, 1988 г. );

• Третьем Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем" ( Одесса, 1988 г.);

• III Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ИМС и их элементов" ( Суздаль, 1989 г. ),

• VII Международной конференции по микроэлектронике "Microelectronics' 90" ( Минск, 1990 г. );

• Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" ( Сочи, 1991 г. );

• Научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" ( Нижний Новгород - Астрахань 1992 г. );

• Второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика-97" ( Москва, 1997 г. );

• Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97" ( Санкт-Петербург, 1997 г. ).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 74 научных работы, ссылок сделано из них на 43 работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 164 страницах, включая 81 рисунок и список литературы из 98 наименований.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и основные задачи исследований, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе атомистического подхода рассмотрена физическая модель ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, в рамках которой статистическим методом получено аналитическое выражение для плотности потока ионов. Показано, что в случае слабых электрических и упругих полей выражение для плотности потока ионов может быть преобразовано к виду, совпадающему

по форме записи с выражением для плотности потока ионов, полученным при континуальном подходе. Рассмотрено влияние участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов на протекание ИДДП в диэлектрических слоях. Сформулированы основные положения теории ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающей участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации комплексов и записана общая система уравнений, характеризующая ИДДП.

Во второй главе рассмотрен общий подход к нахождению равновесных пространственных распределений концентрации ионов, напряженности и потенциала электрического поля в слоях с произвольной диэлектрической неоднородностью при отсутствии в них центров захвата и механических напряжений. Получены аналитические выражения для указанных распределений в однородном диэлектрике, в диэлектрике с линейно изменяющейся по координате диэлектрической проницаемостью и в двухслойном диэлектрике. Проведен детальный анализ влияния физических и геометрических параметров на распределение подвижных ионов по толщине однородного диэлектрика.

В третьей главе представлены результаты исследований по динамике ионных процессов в диэлектрических слоях, в которых отсутствуют центры захвата ионов и механические напряжения. Рассмотрены теоретические основы ионной дрейфово-диффузионной поляризации. Получено дифференциальное уравнение, описывающее отклик ионной системы на воздействие малого гармонического сигнала. Найдено аналитическое выражение для времени релаксации ионной системы и проведен анализ частотной зависимости действительной и мнимой компонент ионной диэлектрической восприимчивости. Получено интегральное соотношение для нахождения эквивалентной диэлектрической проницаемости диэлектрика, содержащего подвижные ионы. Проведен анализ нестационарных ионных процессов в однородном и двухслойном диэлектриках при подаче на них ступеньки напряжения электрического поля.

В четвертой главе предложен общий подход к нахождению эквивалентного поверхностного заряда в МДП-структуре, приведенного к границам раздела диэлектрик-полупроводник и диэлектрик-металл, для произвольного распределения ион-

ного заряда в диэлектрике и произвольной зависимости диэлектрической проницаемости от координаты. Получены интегральные соотношения для расчета значений этих зарядов. Найдены аналитические выражения для ионного эквивалентного поверхностного заряда, приведенного к границе раздела диэлектрик-полупроводник МДП-структуры с однородным диэлектриком, диэлектриком с линейно изменяющейся по координате диэлектрической проницаемостью и двухслойным диэлектриком.

В пятой главе приведены результаты исследований по влиянию механических напряжений в диэлектрике на ионные дрейфово-диффузионные процессы. В одномерном приближении в предельном случае сильных упругих полей концентрационного и неконцентрационного происхождений получены аналитические выражения для равновесных распределений концентрации подвижных ионов, напряженности и потенциала электрического поля по толщине диэлектрика и эквивалентного поверхностного заряда. Для произвольного упругого поля получены в неявном виде аналитические выражения для зависимости электрического поля от координаты. Рассмотрена теория динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур с механически напряженным диэлектриком и численным методом на ЭВМ проведено моделирование влияния упругих полей концентрационного и неконцентрационного происхождений на ДВАХ. Показано, что значение энергетического и силового параметров упругого поля в термически выращенных пленках диоксида кремния, найденные в соответствии с разработанной теорией ИДДП из независимых экспериментов, таких как измерения распределения концентрации ионов натрия по толщине слоя БЮ2, ДВАХ структур А1 - БЮг - 81 и зависимости эквивалентного поверхностного заряда ионов в структуре А1 - 8Ю2 - 81 от напряжения поляризации, хорошо согласуются. На основании этого факта делается предположение об адекватности предложенной теории ИДДП в диэлектриках. Приведены технические характеристики измерителя неравновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик и динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и автоматизированного комплекса для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре, разработанных и изготовленных при выполнении данной диссертационной работы.

В шестой главе в рамках континуального подхода к рассмотрению ИДДП при учете участия ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов изложены основные положения теории геттерирования подвижных ионов в диэлектриках и представлены результаты по моделированию распределений ионов натрия в двухслойных структурах ФСС - диоксид кремния и хлорных пленках диоксида кремния. Исследовано влияние содержания хлора в пленке диоксида кремния на степень нейтрализации ионов натрия и напряжение плоских зон в МДП-структуре. Приведены результаты исследований влияния геттерирования ионов на динамику ИДДП. Развита теория динамических вольт-амперных характеристик и термостимулированных токов в диэлектриках МДП-структур, учитывающие участие ионов в процессах ассоциации и диссоциации комплексов. Разработаны методики нахождения из анализа экспериментальных ДВАХ и кривых ТСТ структур Мо - ФСС - 8Ю2 - важных физических параметров, характеризующих протекание ИДДП в двухслойном диэлектрике таких, как значения величины ионного заряда, энергии активации, констант ассоциации и диссоциации комплексов, параметров взаимодействия ионов с упругим полем, и определены значения этих параметров.

В седьмой главе рассмотрены вопросы, связанные с нейтрализацией заряда подвижных ионов в переходной области границы раздела кремний - диоксид кремния за счет термополевой эмиссии электронов на состояния, индуцированные ионами натрия в окисле кремния, и влияния этого процесса на вольт-фарадные и динамические вольт-амперные характеристики МДП-структур. Проведены теоретические исследования термоэлектронной полевой эмиссии из металла в диэлектрик МДП-структур ы, стимулированной зарядом подвижных ионов. Приведены результаты по двумерному моделированию ИДДП в пленке диоксида кремния и в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, изолирующих затвор в п-канальных кремниевых МДП-транзисторах, и их влиянию на пороговое напряжение приборов.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Романов, Валерий Павлович

Основные результаты данной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана теория ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках, учитывающая участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации химических комплексов.

2. На основе атомистического подхода в одномерном приближении получено аналитическое выражение для плотности потока ионов в диэлектрике, включающее плотности диффузионного, дрейфового электрического и дрейфового упругого потоков. Показано, что в предельном случае слабого электрического и упругого полей оно совпадает с выражением для плотности потока ионов, полученным с помощью континуального подхода ( J(x) = yN(x)[E(x)-уlq]-D[\ +(alkT)N(x)}/N(x) ). При высокой концентрации подвижных ионов ( N(x) » кТ / а ) в исходно механически ненапряженном диэлектрике ( у = 0 ) динамическое равновесие имеет место при равенстве противоположно направленных дрейфовых электрического потока и упругого потока концентрационного происхождения. В этом случае градиент концентрации ионов пропорционален напряженности электрического поля ( VJV(x) = (q/а)К(х) ).

3. Получены аналитические выражения для равновесных распределений концентраций подвижных ионов, напряженности и потенциала электрического поля по толщине однородного диэлектрика, диэлектрика с линейно изменяющейся по координате диэлектрической проницаемостью и двухслойного диэлектрика. Показано, что увеличение количества подвижных ионов в диэлектрическом слое, заряд которых некомпенсирован, приводит к уменьшению длины экранирования электрического поля, которая в пределе бесконечно большого числа ионов стремится к насыщению, определяемому отношением половины толщины диэлектрика к числу ж. Аналитическим методом и методом численного моделирования на ЭВМ проведены исследования влияния упругих полей концентрационного и неконцентрационного происхождений на поведение ионов в диэлектрических слоях. Установлено, что упругое поле оказывает существенное влияние на распределение концентрации ионов натрия в термически выращенной пленке диоксида кремния структуры Au - БЮг - Si. Из сравнения расчетных распределений концентрации ионов натрия в пленке диоксида кремния с аналогичными экспериментальными распределениями, известрыми из литературы, найдены значения энергетического и силового параметров упругого поля ( а =2-10'38 Дж-см3, у = 0,6-10"12 Н).

4. Получены интегральные соотношения для нахождения ионных эквивалентных поверхностных зарядов на границах разделов диэлектрик полупроводник и диэлектрик - металл <2МУ МДП-структур с диэлектриком, имеющим произвольную диэлектрическую неоднородность, на основе которых найдены аналитические выражения для в случаях однородного диэлектрика, диэлектрика с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости от координаты и двухслойного диэлектрика. Проведены теоретические и экспериментальные исследования <2Ж в структурах А1 - Б Юг - 81 и определены значения энергетического и силового параметров упругого поля в диоксиде кремния ( а =2-10"38 Дж-см3, у = 1,6-10"12 Н).

5. Разработаны основы теории ионной дрейфово-диффузионной поляризации в диэлектрических слоях. В одномерном приближении получено аналитическое выражение для времени релаксации ионной системы и установлено, что оно является пространственно неоднородным вследствие неоднородного распределения концентрации подвижных ионов по толщине диэлектрика. Проведены исследования частотных зависимостей действительной и мнимой компонент диэлектрической восприимчивости. Показано, что в одномерном приближении для описания релаксационных процессов в ионной системе может быть использована теория Дебая.

6. Развита теория геттерирования ионов щелочных металлов в хлорсодержащем диоксиде кремния и в фосфоросиликатном стекле двухслойного диэлектрика ФСС - диоксид кремния. Проведены расчеты распределений концентраций свободных и захваченных ионов натрия в этих диэлектриках и показано, что эти распределения хорошо согласуются на качественном уровне с аналогичными экспериментальными распределениями, известными из литературы.

7. Разработаны теории динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и термостимулированных токов в диэлектрических слоях МДП-структур, учитывающие участие ионов в процессах диффузии, дрейфа в электрическом и упругом полях, ассоциации и диссоциации химических комплексов. Проведены экспериментальные и теоретические исследования ДВАХ структур А1 - БЮг - и Мо - ФСС - БЮг - 81 и ТСТ в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния структуры Мо - ФСС - БЮг - 81 и показано, что предложенные теории ДВАХ и ТСТ применительно к данным структурам хорошо описывают экспериментальные результаты.

8. Разработаны методики нахождения значений физических параметров, определяющих протекание ионных дрейфово-диффузионных процессов в диоксиде кремния и в двухслойном диэлектрике ФСС - диоксид кремния, изолирующих полевой электрод в МДП-структурах, основанные на анализе экспериментальных ДВАХ и ТСТ в соответствии с предложенной теорией ИДДП. Из анализа ДВАХ структур А1 - 810г - 81 для диоксида кремния найдены значения полного заряда ионов <2, энергетического параметра а, силового параметра у, высоты потенциального барьера для прыжков ионов из потенциальной ямы на границе раздела А1 -8Юг и соответствующего частотного фактора у() , высоты потенциального барьера для прыжков ионов в объеме диоксида кремния Ж и соответствующего частотного фактора V и длины скачка /, а именно: = 1,9-10"7 Кл-см"2; а =2-10"38 Дж-см3; у = 1,6-10"12 Н; Ж0 = 0,8 эВ, у0=8-Ю5с"1; Г=0,4эВ; у = 2-106с"1; /=0,5нм. Из анализа ДВАХ и ТСТ структуры Мо - ФСС - 8Юг - 81 найдены значения полного ионного заряда энергетического параметра а, силового параметра у, энергии активации Еа, констант, определяющих скорости ассоциации г и диссоциации g0:

- из анализа ДВАХ. £ = (6,0±0,6> 10"8 Кл-см"2; а = М О"38 Дж-см3; у = 1 • 10"12 Н; Еа =(1,3±0,1) эВ; г = (7,0+1,0)-10"24 см3-с-1; =(3,0±0,4)-108 с1;

-из анализа ТСТ: 0 = (5+1)-10"8Кл-см"2; а =2-10"38Дж-см3; у = 1-10"12Н; Еа =(1,3±0,1) эВ; г=9-10"24см3-с1; =(4,0±0,5>108 с"1.

9. Разработаны и изготовлены: а) автоматизированный на базе ЭВМ комплекс для измерения термостимулированных токов в диэлектрических слоях, вольт-фарадных и динамических вольт-амперных характеристик МДП-структур и обработки экспериментальных данных в соответствии с предложенными методиками нахождения значений физических параметров, характеризующих протекание ИДДП, и б) измеритель неравновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик, предназначенный для экспрессного определения значений электрофизических параметров МДП-структур.

10. Установлено, что при термополевых воздействиях на структуру А1 - БЮг -81 при положительном потенциале на алюминии имеет место частичная нейтрализация положительного заряда ионов в области границы раздела диоксид кремния - кремний. Предложена физическая модель, объясняющая этот эффект, согласно которой нейтрализация ионного заряда осуществляется за счет термополевой эмиссии электронов из кремния на состояния, индуцированные ионами щелочных металлов. Адекватность модели подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями ДВАХ структур Мо - 8Юг - 81. Проведены теоретические исследования эмиссии электронов из металла в диэлектрик МДП-структуры, стимулированной зарядом подвижных ионов, которые показали, что характер эмиссии электронов зависит от пространственного распределения ионов и температуры. С увеличением степени оттеснения ионов к границе с металлом в области соответствующих температур происходит постепенный переход от термоэлектронной эмиссии к термоэлектронной полевой и затем к полевой эмиссии электронов из металла в диэлектрик.

11. На основе двумерного моделирования ионных дрейфово-диффузионных процессов в диоксиде кремния и в двухслойном диэлектрике ФСС -диоксид кремния, изолирующих затворы в п - канальных кремниевых МДП-транзисторах, установлен характер влияния режимов работы транзистора на пространственное распределение концентрации подвижных ионов в диэлектрических слоях. Показано, что с увеличением потенциала стока транзистора ионы щелочных металлов смещаются к области истока и вследствие этого оказывают слабое влияние на пороговое напряжение транзистора. В связи с этим традиционно проводимые термополевые испытания п - канальных МДП-транзисторов при больших потенциалах стока с целью отбраковки потенциально ненадежных приборов являются неэффективными. Даны рекомендации по оптимизации режимов термополевых испытаний МДП-транзисторов на стабильность их параметров и надежность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Романов, Валерий Павлович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Atalla М. М, Gray A. R, Lindner R. Stability of thermally oxidized silicon junction in wet atmospheres//Proc. BEE. - 1960. - Vol. 106. - P. 1130 - 1137.

2. Ion transport phenomena in insulating films / E. H. Snow, A. S. Grove, В. E. Deal, С. T. Sah // J. Appl. Phys. - 1965. - Vol. 36. - P. 1664 - 1673.

3. Kriegler R. J. Neutralization of Na+ ions in "HC1 - Grown" Si02 // Appl. Phys. Lett. -1972. - Vol. 20, № 11. - P. 449 - 451.

4. Stabilization of Si02 passivation layers with P2O5 / Kerr D. R, Logan J. S., BurkhardtP. J., PliskinW. A. // IBM J. Res. and Develop. - 1964. - Vol. 8, - P. 376 -

384.

5. DaltonJ. V., DrobekJ. Structure and sodium migration in silicon nitride films // J. Electrochem. Soc. - 1968. - Vol. 115. - P. 865 - 869.

6. Tombs N. C., Wegener H. A. R, Newman R, Kenney В. Т., Cappola A. J. // Proc. IEEE.

- 1966. - Vol. 54. - P. 84.

7. Kerr D. R. //Electrochem. Soc. Meeting, Cleveland, May 1966. - Abstr. 14.

8. Романов В. П., Ларионов В. А., Сапольков А. Ю. Особенности ионной дрейфово-диффузионной поляризации оксинитридов кремния // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" (Москва, февраль 1988 г.). - М.: МИЭМ, 1988,- С. 6-1.

9. Collins F. С. Electrochemical behavior of grown oxide films on silicon // J. Electrochem. Soc. - 1965. - Vol. 112, № 8. - P. 786 - 791.

10. Tarui Y., Komiya Y., Teshima H. The built in voltage and the charge distributions in the oxide of MOS structure // Japan. J. Appl. Phys. - 1967. - Vol. 6, № 2. - P. 191 - 204.

11. Marciniak W., Przewlocki H. M. Equilibrium distribution of the uncompensated mobil charge in the dielectric layer of MOS structure // Phys. Stat. Sol. (a). - 1974.

- Vol. 24. - P. 359 - 366.

12. Tangena A. G., Middelhoek J., de Rooij N. F. Influence of positive ions on the current-voltage characteristics of MOS structures // J. Appl. Phys. - 1978. - Vol. 49, № 5. -P. 2876 - 2879.

13. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Равновесное пространственное распределение заряженных частиц//Изв. вузов. Физика. - 1978, № 10. - С. 143 - 145.

14. Romanov V. P., Chaplygin Yu. A. Stationary distribution of mobile charge in the dielectric ofMOS structures//Phys. Stat. Sol. (a). - 1979. - Vol. 53. - P. 493 - 498.

15. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Стационарное распределение некомпенсированного подвижного заряда в двухслойном диэлектрике // Микроэлектроника АН СССР. -1981.-Т. 10.-С. 132- 134.

16. Romanov V. P., Chaplygin Yu. A. A theoretical model for the stationary distribution of mobile ions in a double-layer insulator // Phys. Stat. Sol. (a). - 1981. - Vol. 64. - P. 525 -531.

17. Romanov V. P. Polarization in dielectric films due to uncompensated mobile charge // Program and Abstracts ICSFS-2. International conference on solid films and surfaces, USA, Maryland. -1981.

18. Romanov V. P. Stationary distribution of mobile ions in a dielectric with regard to their elastic interaction with medium //Phys. Stat. Sol. (a). - 1982. - Vol. 70. - P. 525 - 532.

19. Ларчиков А. В., Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Влияние некомпенсированного подвижного заряда в диэлектрике на характеристики МДП-структур // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. - 1983. - Вып. 1. - С. 8 - 14.

20. Ларчиков А. В., Ларчиков Ю. В., Романов В. П. Неоднородные механические напряжения в пленках двуокиси кремния и их влияние на процесс переноса электрически активных центров // Дефекты структуры, методы их обнаружения, их влияние на параметры твердотельных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1984.-С. 48- 54.

21. Ларчиков А. В., Романов В. П. Влияние механических напряжений на ионное элек-третное состояние двуокиси кремния // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике" (Москва, февраль 1988 г.). - М.: МИЭМ, 1988,- С. 44-45.

22. Романов В. П., Сапольков А. Ю. Геттерирование ионов натрия пленкой фосфорно-силикатного стекла // Дефекты структуры, методы их обнаружения, их влияние на параметры твердотельных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1984. -С. 35-41.

23. Романов В. П., Сапольков А. Ю. Нестабильность напряжения плоских зон в МДП-структуре с хлорным окислом // Вопросы микро-миниатюризации РЭА и ЭВА: Межвуз. сб. МИЭМ. - М.: МИЭМ, 1988. - С. 29 - 33.

24. Yamashita К., Iwamoto М., Hino Т. Thermally stimulated current properties of mobile ion in Si02 film of MOS structure and its numerical analysis // Japan. J. Appl. Phys. -1981. - Vol. 20, № 8. - P. 1429-1434.

25. Yamashita K., Hino T. Numerical analysis of current versus voltage characteristics by triangular voltage sweep in Si02 film // Japan. J. Appl. Phys. - 1982. - Vol. 21, № 10. -p. 1437 . 1442.

26. Романов В. П., Статистический подход к анализу ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках // Тез. докл. Международной науч.-тех. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, июнь 1997 г.). - С.-Пб., 1997. - С. 52 - 54.

27. Романов В. П., Золочевский Ю. Б., Сапольков А. Ю. Атомистический метод анализа ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектриках // Изв. вузов. Электроника. - 1997, № 5. - С 3 - 7.

28. Романов В. П., Золочевский Ю. Б., Ларчиков А. В., Сапольков А. Ю. Влияние механических напряжений в диэлектрике на динамические вольт-амперные характеристики МДП-структур //Изв. вузов. Электроника. - 1997, № 6. - С. 37 - 43.

29. Balk P., Eldridge J. М. Phosphosilicate glass stabilization of FET devices //Proc. IEEE. -1969. - Vol. 57, - № 9. - P. 1558 - 1563.

30. Eldridge J. M., Kerr D. R. Sodium ion drift through phosphosilicate glass - Si02 films // J. Electrochem. Soc. -1971. - Vol. 118, № 6. - P. 986 - 991.

31. Yon E., KoW. H., KuperA. B. Sodium distribution in thermal oxide on silicon by radiochemical and MOS analysis // IEEE Trans. Electron. Dev. - 1966. - Vol. ED - 13, № 12. - P. 276 - 280.

32. Studies of sodium in Si02 films by neutron activation and radiotracer techniques / Т. M. Buck, F. G. Allen, J. V. Dalton, J. D. Struthers // J. Electrochem. Soc. - 1967. -Vol. 114, №8. - P. 862-866.

33. Robinson H. A. On the structure of vitreous SiOi -1. A new pentagonal dodecahedral model // J. Phys. Chem. Solids. - 1965. - Vol. 26. - P. 209 - 222.

34. DealB. E., Hurrle A., SchulzM. J. Chlorine concentration profiles in Ог/HCl and H2O/HCI thermal silicon oxides using SIMS measurements // J. Electrochem. Soc. -1978. - Vol. 125, № 12. - P. 2024 - 2027.

35. Kriegler R. J. // Thin Solid Films. - 1972. - Vol. 13. - P. 11 - 15.

36. Kriegler R. J. The passivating effect of chlorine in Si02 // Denki Kagaku. - 1973. -Vol. 41, №7. - P. 466-475.

37. ManchandaL., VasiJ., Bhattacharya A. B. Hole traps in thermal silicon dioxide introduced by chlorine // Appl. Phys. Lett. - 1980. - Vol. 37, № 8. - P. 744 - 747.

38. Федорович Ю. В. - В кн.: Элементарные физико-химические процессы на поверхности монокристаллических полупроводников. Новосибирск: Наука, 1975. -С. 137- 149.

39. Stagg J. P., Boudry M. R. Sodium passivation in A1 - Si02 - Si structures containing chlorine // J. Appl. Phys. -1981. - Vol. 52, № 8. - P. 885 - 899.

40. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Пространственное распределение некомпенсированного подвижного заряда в диэлектрических слоях // Полупроводниковые приборы: Сб. науч. тр. МИЭТ. М.: МИЭТ, 1979. - С. 123 - 128.

41. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Стационарное распределение некомпенсированного подвижного заряда в неоднородной диэлектрической среде // Физические основы микроэлектроники: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1979. - С. 98 - 105.

42. ДвайтГ. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. - М.. Наука, 1977.-224 с.

43 . Романов В. П., Сапольков А. Ю., Чаплыгин Ю. А. О существовании предельной концентрации носителей заряда в диэлектрических и полупроводниковых слоях при нарушении электронейтральности // Физические основы микроэлектронных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1987. - С. 22 - 27.

44. Романов В. П., Сапольков А. Ю., Букин М. С. Основы теории ионной дрейфово-диффузионной поляризации в диэлектриках // Изв. вузов. Электроника. - 1997, № 1. - С. 3 -9.

45. Романов В. П., Сапольков А. Ю. Основные положения теории дрейфово-диффузионной поляризации // Тез. докл. Международной науч.-техн. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, июнь 1997 г.). -С.-П6.Д997. - С. 126- 127.

46. Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. -439 с.

47. Ларчиков А. В., Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Нестационарные ионные процессы в двухслойном диэлектрике МДП-структуры // Физика микроэлекгронных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1984. - С. 9 - 16.

48.КобболдР. Теория и применение полевых транзисторов. - Л.: Энергия, 1975. -304 с.

49. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Влияние ионного заряда на напряжение плоских зон в МДП-структуре с неоднородным диэлектриком // Физика микроэлектронных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1984. - С. 3 - 8.

50. EerNisse Е. P. Stress in thermal Si02 during growth//Appl. Phys. Lett. - 1979. - Vol. 30, №1,-P. 8-10.

51. Романов В. П., Ларчиков А. В., Сапольков А. Ю. Ионные термостимулированные токи в диэлектрических слоях МДП-структур // Теоретические основы функциональной электроники: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1990. - С. 62 - 67.

52. Yamin М. Charge storage effects in silicon dioxide films // Trans, on Electron. Devices. -1965. - Vol. ED-12, № 3. - P. 88 - 96.

53. ChouN. J. Application of triangular voltage sweep method to mobile charge studies in MOS structures // J. Electrochem. Soc. - 1971. - Vol. 118, № 4. - P. 601 - 609.

54. KuhnM., Silversmith D. J. Ionic contamination and transport of mobile ions in MOS structures // J. Electrochem. Soc. - 1971. - Vol. 118, № 6. - P. 966 - 970.

55. Hofstein S. R. An investigation of instability and charge motion in metal - silicon oxide -

silicon structures // IEEE Trans. Electron. Devices. - 1966. - Vol. ED-13, № 12. -P. 222 - 237.

56. Кинетика ионного переноса в диэлектрике Si - МОП-структур / Гольдман Е. И, Ждан А. Г., Клочкова А. М., Чучева Г. В. // Тез. докл. Международной науч.-техн.

конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, июнь 1997 г.). - С.-Пб.,1997. - С. 37 - 38.

57. Гольдман Е. И, Ждан А. Г., ЧучеваГ. В. Кинетика ионной деполяризации Si-МОП-структур в режиме линейной развертки по напряжению // ФТП. - 1997. -Т. 31, № 12. - С. 1468- 1472.

58. Гольдман Е. И, Ждан А. Г., ЧучеваГ. В. Определение коэффициентов ионного переноса в диэлектрических слоях на поверхности полупроводников по динамическим вольт-амперным характеристикам деполяризации // ПТЭ. - 1997, № 6. -С. 110-115.

59. ЗиС. Физика полупроводниковых приборов. В 2 кн. - М.: Мир, 1984. - Кн. 1. -456 с.

60. Автоматизированный комплекс для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре / Т. И. Алексанян, А. Т. Берестов, В. П. Романов, А. Ю. Сапольков и др. // Информационный листок о научно-техническом достижении № 90-86. Мосгор. ЦНТИ. - 1990. - 3 с.

61. Автоматизированный измеритель электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре / А. Т. Берестов, В. Б. Вишняков, Р. П. Горшков, В. П. Романов и др. // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Нижний Новгород - Астрахань, сентябрь 1992 г.). - Н. Новгород - Астрахань, 1992. - С. 70 - 71.

62. Программное обеспечение автоматизированного комплекса для измерения электрофизических параметров МДП-структур / Т. И. Алексанян, А. Ю. Сапольков, В. П. Романов и др. // Программные средства МИЭТ: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1990.-С. 40-41.

63. Романов В. П., Усиков В. Д. Экспрессный контроль качества МДП-структур методом неравновесных вольт-фарадных характеристик // Электронная промышленность. - 1985. - Вып. 6 (144). - С. 54 - 56.

64. Романов В. П., Усиков В. Д. Исследования поверхностных состояний на границе InP с плазмохимическими диэлектриками методом неравновесных ВЧ C-V характеристик // Математическое моделирование и экспериментальное исследование

электрической релаксации в элементах микросхем: Межвуз. Сб. МИЭМ. - М.: МИЭМ, 1985. - С. 104 - 109.

65. Usikov V. D., Romanov V. P. Noneguilibrium high freguensy C-U characteristics of MIS structures derived in response to a trapesoidal voltage sweep // Phys. Stat. Sol. (a). -1987. - Vol. 101. - P. 503 - 513.

66. Измеритель неравновесных высокочастотных вольт-фарадных характеристик МДП-структур / Т. И. Алексанян, А. Т. Берестов, В. И. Бугаев, В. Б. Вишняков, П. М. Еремеев, А. В. Ларчиков, А. Ю. Сапольков, В. П. Романов, В. Д. Усиков // Информационный листок о научно-техническом достижении № 90-88. Мосгор. ЦНТИ. - 1990. - 3 с.

67. Сапольков А. Ю. Гетгерирование подвижных ионов в диэлектрических слоях МДП-структур: Дис. канд. физ.-мат. наук. - М., 1996. - 102 с.

68. Rohatgi A., Butler S. R, Feigl F. J. Mobile sodium ion passivation in HC1 oxides // J. Electrochem. Soc. - 1979. - Vol. 126, № 1. - P. 149 - 154.

69. ДемидовичГ. Б., Козлов С. H., Петров А. А. Молекулярная и ионная подвижность в окисленном пористом кремнии // Структура и динамика молекулярных систем: Сб., ч. II. - Казань - Москва, 1996. - С. 95 - 98.

70. Процессы электропереноса в фрактальном пористом диэлектрике / В. М. Демидович, Г. Б. Демидович, С. Н. Козлов, А. А Петров // Тез. докл. Международной науч.-техн. конф. по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, июнь 1997 г.). - С.-Пб.,1997. - С. 32 - 33.

71. DiMaria D. J., Aitken J. M., Young D. R. Capture of electrons into Na+ - related trapping sites in the Si02 layer of MOS structures at 77° К // J. Appl. Phys. - 1976. - Vol. 47, № 6. - P. 2740 - 2743.

72. DiMaria D. J. Capture and release of electrons on Na+ - related trapping sites in the Si02 layer of metal - oxide - semiconductor structures at temperatures between 77° and 296° К // J. Appl. Phys. -1981. - Vol. 52, № 12. - P. 7251 - 7260.

73. RosencherE., CoppardR. Transient capacitance spectroscopy of Na+ - induced surface states at the Si / Si02 interface // J. Appl. Phys. - 1984. - Vol. 55, № 4. - P. 971 - 979.

74. DiStefano Т. H., Lewis J. E. The influence of sodium on the Si - Si(>2 interface // J. Vac. Sci. Technol. - 1974. - Vol. 11, № 6. - P. 1020 - 1024.

75. Романов В. П., Чаплыгин Ю. А. Аномальный сдвиг вольт-фарадных характеристик структуры А1 - Si02 - Si при термополевых воздействиях // Полупроводниковые приборы: Сб. науч. тр. по проблемам микроэлектроники МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1979. -С. 129- 132.

76. Золочевский Ю. Б., Романов В. П. Моделирование термоэлектронной полевой эмиссии в диэлектрический слой МДП-структуры при наличии некомпенсированного заряда подвижных ионов // Математическое моделирование физических по-цессов в элементах микросхем: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1988. - С. 62 - 66.

77. Золочевский Ю. Б., Романов В. П. Термоэлектронная полевая эмиссия в МДП-структуре, стимулированная ионными процессами в диэлектрике // Тез. докл. IX Всесоюзного симпозиума "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (Новосибирск, июнь 1988 г.). - Новосибирск. 1988. - Часть 1. -С. 171.

78. Золочевский Ю. Б., Романов В. П. Влияние подвижных ионов на термализацию электронов в двуокиси кремния // Тез. докл. VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков по секции № 7 "Электрофизика слоистых структур" (Томск, ноябрь 1988 г.). - М.: ЦНИИ "Электроника" - Серия 6. - Материалы. - 1988. -Вып. 4(280). - С. 79 - 80.

79. Золочевский Ю. Б., Романов В. П. Численное моделирование упругого рассеяния горячих электронов на ионизированной примеси в слое двуокиси кремния МДП-структуры // Математическое моделирование физических процессов в приборах микроэлектроники: Межвуз. сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1989. - С. 65 - 72.

80. Влияние подвижных ионов в диэлектрических слоях на электронные процессы в МДП-структурах / М. С. Букин, А. Б. Золочевский, Ю. Б. Золочевский, В. П. Романов // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Нижний Новгород - Астрахань, сентябрь 1992 г.). - Н. Новгород - Астрахань, 1992. - С. 97.

81. Романов В. П., Золочевский Ю. Б., Сапольков А. Ю. Нейтрализация заряда подвижных ионов в переходном слое двуокись кремния - кремний // Тез. докл. второй

Всероссийской науч.-техн. конф. с международным участием "Электроника и информатика - 97" (Зеленоград, ноябрь 1997 г.). - М.: МИЭТ, 1997. - Часть 1. -С. 177.

82. Усиков В. Д. Романов В. П. Влияние локальных флуктуаций поверхностного заряда на вольт-фарадные характеристики МДП-структур // Дефекты структуры, методы их обнаружения, их влияние на параметры твердотельных приборов: Сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1984. - С. 103 - 108.

83. Усиков В. Д. Романов В. П. Влияние дискретности поверхностных зарядов на C-V характеристики МДП-структур // Тез. докл. Ш Всесоюзного науч.-техн. семинара "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" (Рязань, июнь 1984 г.). - М.: 1984. - Часть I. - С. 99 - 100.

84. Романов В. П. Усиков В. Д. Нахождение функции Грина для области, ограниченной параллельными плоскими поверхностями // Электричество. - 1985. - № 8. -С. 60-61.

85. Двумерное моделирование ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрическом слое короткоканального МДП-транзистора / А. В. Ларчиков, Н. В. Островская, В. П. Романов, А. Ю. Сапольков // Электрическая релаксация в элементах микросхем: Межвуз. сб. МИЭМ. - М.: МИЭМ, 1988. - С. 35 - 41.

86. Двумерное моделирование влияния ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрике на пороговое напряжение МДП-транзистора / Т. И. Алексанян, В. А. Бражник, В. П. Романов, А. Ю. Сапольков // Математическое моделирование физических процессов в приборах микроэлектроники: Межвуз. сб. науч. тр. МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1989. - С. 58 - 64.

87. Двумерное моделирование влияния ионных дрейфово-диффузионных процессов в диэлектрике на нестабильность электрических характеристик и отказы короткока-нальных МДП-транзисторов / А. Ю. Сапольков, Т. И. Алексанян, А. В. Ларчиков, В. П. Романов // Материалы VII Международной конференции по микроэлектронике "MICROELECTRONICS ' 90" (Минск, октябрь 1990 г.). -Минск, 1990. - Том I. Материалы микроэлектроники. - С. 260.

88. Hino T., Yamashita К. Neutralization of mobile ions in the Si02 film of MOS structures // J. Appl. Phys. - 1979. - Vol. 50, № 7. - P. 4879 - 4882.

89. Ramesh К., Chandorkar A. N., Vasi J. Study of electron traps in silicon dioxide due to mobile sodium ions at the Si - Si02 interface // ГЕТЕ Tech. Rev. - 1987. - Vol. 4. - P. 38 -40.

90. Hubner K. Energy-gab variation at the Si - SiOx - Si02 interface // Phys. Stat. Sol. (b). -1979.-Vol. 94.-P. КЗ 5-K39.

91. Hartstein A., Fowler A. B. Impurity bands in inversion layers // Surface Sci. - 1978. -Vol. 73. - P. 19-30.

92. Crowell C. R, Rideout V. L. Normalized thermionic-field (T-F) emission in metal -semiconductor (Shottky) barries // Solid-St. Electron. - 1969. - Vol. 12. - P. 89 - 105.

93. Ландау Л. Д., ЛифшицЕ. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). - М.: Физматгиз, 1963. - 704 с.

94. Fowler R. Н., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proc. Roy. Soc. (London). - 1928. - Vol. 119A. - P. 173 - 181.

95. Kao К., ХуангВ. Перенос электронов в твердых телах. В двух частях. Ч. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 352 с.

96. Poole D R., Kwong D L. Two-dimensional analytical modeling of threshold voltages of short-channel MOSFET's // IEEE Trans. Electron Dev. Lett. - 1984. - Vol. EDL-5, №11.-P. 443 - 446.

97. Gummel H. K. A self-consistent iterative scheme for one-dimensional steady state transistor calculations // IEEE Trans. Electron Dev. - 1964. - Vol. ED-11, № 10. - P. 455 -465.

98. Тихонова. H., Самарский а. а. Уравнения математической физики. - M.: Наука, 1972. - С. 619-621.

" в /

"Утверждаю" ор МГИЭТ

В.Д. Вернер ^ Об 1998 г.

\

"Утверждаю" ,иректор НИИ МП

Г.Я. Гуськов 1998 г.

Т^/

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы В.П. Романова "Ионные дрейфово-диффузионные процессы в диэлектрических слоях МДП-структур" на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Мы, нижеподписавшиеся, представитель НИИ Микроприборов начальник комплекса 5 В.М. Проненко с одной стороны и представители Московского государственного института электронной техники заведующий кафедрой общей физики Г.Н. Гайдуков и доцент В.П. Романов с другой стороны составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Романова Валерия Павловича, а именно: автоматизированный комплекс для измерения электрофизических параметров диэлектрика и полупроводника в МДП-структуре и методики определения величины заряда подвижных ионов, энергии активации, параметров упругого поля и констант ассоциации и диссоциации, характеризующих ионные процессы в диэлектрических слоях, основанные на обработке экспериментальных данных в рамках предложенной теории ионных дрейфово-диффузионных процессов, внедрены в НИИ Микроприборов для контроля зарядовой стабильности характеристик МДП БИС, разрабатываемых в институте.

Использование указанных выше измерительного комплекса и физических методик позволило повысить информативность и точность контроля зарядовой стабильности характеристик МДП БИС и оптимизировать режимы термополевых испытаний МДП-транзисторов с целью выявления потенциально ненадежных изделий.

Настоящий акт не является основанием для выплаты денежных вознаграждений.

/ От НИИ МП

ы

/ /^'у Г В.М. Проненко

От МГИЭТ

Г.Н. Гайдуков

¡'ф^л^л^/! В.П Романов