Свойства диэлектрических пленок

Во время окисления часть растущей диэлектрической пленки формируется за счет Si подложки. Поскольку Si подложка, как правило легирована, то на границе раздела между SiО₂ и Si происходит перераспределение примеси. Явление перераспределения примеси получила название сегрегации. Для количественной характеристики данного явления вводится коэффициент сегрегации (m), показывающий во сколько раз растворимость примеси в кремнии больше, чем в окисле, одно из важных свойств окислов.

m(p)=10 следовательно во время окисления происходит выдавливание Р из пленки SiО₂ и обогащение им поверхности Si пластины.

m(p)=0,3 следовательно при окислении атомы В обедняют поверхность Si и переходят в окисел.

Наибольший интерес с точки зрения электрофизических характеристик имеют структуры Si–SiО₂–Ме, является основой большинства современных интегральных МС. Электрофизические характеристики данных структур в основном определяются зарядовым состоянием окисной пленки и границей раздела Si–SiО₂. рассмотрим классификацию зарядов, присутствующих в данной структуре.

Q_it заряд на поверхностных состояниях, возникает на границе раздела Si подложки с SiО₂ и обусловлен нарушением кристаллической решетки на поверхности Si. Энергетически поверхностные состояния располагаются в запретной зоне кремния. В зависимости от расположения поверхностного состояния в 33 Si они могут быть как акцепторными так и донорными. В зависимости от прикладываемого напряжения к Ме электроду поверхностное состояние способно, как накапливать так и отдавать свой заряд. Перезарядка поверхностного состояния, как правило отрицательно влияет на электрофизические характеристики п/п приборов, поэтому на практике стараются min плотность поверхностного состояния (min достижения плотность состояния).

Q_f фиксированный «+» заряд. Локализованый в приповерхностной области пленки SiО₂ с нарушенной стехиометрией (SiО_х х(1…2)). Толщина SiО_х ≈50. На практике при современных способах получения пленки SiО₂ фиксируемых заряд имеет небольшую величину и не оказывает электрофизического влияния на характеристики п/п прибора.

Q_m подвижный заряд окисла, всегда «+». Данный заряд располагается по всему объёма окисла и обусловлен наличием ионов щелочных Ме (Li, Na, K), а так же ионами Н₂. Современные методы окисления позволяют min подвижные «+» заряды и свести к min влияние на электрофизические параметры п/п.

Q_0t заряд, накапливающийся на исходные ловушечные центры в объёме пленки SiО₂. В зависимости от энергетического расположения центров на них может накапливаться, как «+», так и «-» заряд. Накопление данного заряда в основном происходит при стрессовых воздействиях на структуры Si–SiО₂–Ме (радиационного поля).

Q_t заряд, накапливается на ловушечные центры, возникающие в окисле в процессе стрессовых воздействий. Основными методами контроля зарядовых характеристик Si–SiО₂–Ме является метод изменения ВФХ (вольт-фарадных характеристик). Данный метод заключается в измерении емкости данной структуры в зависимости от приложенного напряжения. В зависимости от частоты сигнала, на которой производится измерение емкости структуры различают ВЧ и НЧ ВФХ. В технологии производства ИМС наибольшее распространение получил метод ВЧ ВФХ, измерение емкости, в которых обычно проводится на частоте от 100кГц до 1 МГц.

Упрощенная схема для измерения ВЧ ВФХ, использующих емкостной делитель имеет вид.

1. генератор ВЧ сигнала (≈20mV)

2. генератор линейно-изменяющегося сигнала

Выделение сигнала пропорционально емкости МДП структуры происходит на емкостном делителе Cи

3. селективный вольтметр с линейным выходом

4. самописец

Заряд на поверхностных состояниях приводит к уменьшению наклона ВФХ.

0 – исходная (теоретическая)

1 – с «+» зарядом

Фиксирующий положение заряд приводит к смещению ВФХ в область отрицательных напряжений

0 – исходная (теоретическая)

1 – с «+» зарядом

Подвижный «+» заряд. Для контроля величины Q_m в технологии производства ИМС обычно используют метод термополевой обработки ТПО. Который заключается в выдержке МДП при повышенной температуре и +U на затворе. В результате такой выдержки большая часть Q_m накапливается на границе раздела Диэлектрик-п/п, затем структуру охлаждают и отключают внешнее поле.

Контроль величины Q_m обычно проводят, измеряя ВФХ до и после ТПО обработки. Для минимизации величины Q_m в подзатворном диэлектрике МДП ИМС часто применяют 2-хслойные диэлектрики.

Метод ВФХ в технологии ИМС используется не только для контроля диэлектрических пленок, но и для оценки чистоты и качества технологического оборудования, а так же качества исходных п/п пластин.

Интегральная характеристика зарядного состояния диэлектрической пленки при контроле ее параметров методом ВФХ является напряжение отсечки.