Формирование подзатворного диэлектрика. (Лекция 6)

1. Лекция 6 Формирование подзатворного диэлектрика

2. Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда.

Патент США 1 745 175 на «метод и устройство
управления электрическими токами» с
приоритетом от 8 октября 1926 года

3. Принцип работы полевого транзистора

4. Почему не работал МДП-транзистор

Управляющий электрод
Ловушки –
14
10
см-2
Носители
–
1012см-2
Полупроводник
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные
связи) и количеством индуцированных полем носителей
На один носитель -
100 ловушек!

5. Разработчики метода пассивации поверхности кремния оксидом

М.Аталл
а
М.Кант

6. Почему стал работать МОП-транзистор

Эффект пассивации поверхности оксидом (1960-е гг. М.
Аталла и Д. Кант )
Управляющий электрод
Оксид кремния
Кремний
Ловушки –
11
10
см-2
Носители
–
1012см-2
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные связи) и
количеством индуцированных полем носителей
На одну ловушку - 10 носителей!

7. Почему стал работать МОП-транзистор

Эффект пассивации поверхности оксидом (1960-е гг. М.
Аталла и Д. Кант )
Управляющий электрод
Оксид кремния
Кремний
Ловушки –
11
10
см-2
Носители
–
1012см-2
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные связи) и
количеством индуцированных полем носителей
На одну ловушку - 10 носителей!

8. Почему неполная пассивация поверхности кремния

Атомы кислорода
Атомы кремния

9. Пороговое напряжение МОП-транзистора

•  
Выравнивание зон
Обеднение
Инверсия
= + +
2
 

10. Динамика изменения толщины подзатворного окисла

Толщина окисла (нм )
интеграции
Минимальный размер (мкм)
Степень
[1]
Год
ы

11. Проблемы подзатворного диэлектрика

Поликремний
Утечки
Диффузия
примесей
Дефекты
Токи утечки
Ток насыщения
Подпороговый ток
Технологические
поколения
Ток через
диэлектр
ик
[1]

12. Структура оксида кремния

Ближний порядок
(тетраэдр)
Кислород
кремний
Мостиковый
кислород
Дальний порядок
( угол между
связями )
[1]

13. Ближний порядок

O
O
Si
O
O
O
Si
O
Расстояние между
атомами в
тетраэдре
Si – O
O
1,69 A
50% ковалентная
50% - ионная
O–O
A
2,65
Si – Si
A
3,0

14. Структура оксида кремния

Дальний
порядок
Ближний
порядок
Только
ближний
порядок
Кристаллическое
состояние
( d – 2,62 г/cм3 )
Аморфное
состояние
( d – 2,2 г/cм3
)

15. Кристаллические модификации оксида кремния

P
Угол между
связями
0
143
1580
0
кварц
тридимит кристаболит
140
870
1770 Т 0 C
1170

16. Почему растёт аморфный оксид кремния

Атомы кислорода
Атомы кремния

17. Дефекты аморфного оксида кремния

1.Отсутствие кремния
2.Отсутствие кислорода ( кислородная вакансия.)
3.Решеткообразующие примеси – замена кремния ( бор, фосфор, сурьма, мышьяк)
4.Решеткопреобразующие примеси – замена кислорода ( водород, гидроксил, натрий,
калий, алюминий )
5.
Кремний в междоузлии
6.
Примеси ( ранее перечисленные) в междоузлии

18. Последствия локальной кристаллизации аморфного оксида кремния

1. Разрушение решетки оксида
2. Ухудшение маскирующих свойств оксида
3. Токи утечки через оксид
4. Увеличенная скорость диффузии через оксид
5. Ухудшение эффекта пассивации поверхности кремния
6. Возникновение внутренних механических локальных
напряжений
7. Повреждение металлизации
8. Изменение зарядового состояния системы кремний-оксид
9. Уменьшение подвижности носителей в канале МОПТ

19. Факторы способствующие локальной кристаллизации аморфного оксида кремния

Длительные высокотемпературные обработки
Медленное охлаждение
Трёхвалентные решоткообразующие примеси ( бор )
Решоткопреобразующие примеси (водород, гидроксил,
натрий, алюминий )
Частицы кварцевой пыли
Металлические примеси в междоузлии

20. Факторы подавляющие локальную кристаллизацию аморфного оксида кремния

Уменьшение температуры и длительности
термообработок.
Быстрое охлаждение
Пятивалентные решоткообразующие примеси ( фосфор,
сурьма, мышьяк )
Окисление в сухом кислороде
Стерильность процесса окисления

21. Структура системы кремний-оксид

Оксид
Кремний
кремния
монокристалл
аморфный
Кристаллизованный Аморфизированный
оксид
кремний

22.

• Зарядовое состояние системы
кремний-оксид

23. Пороговое напряжение МОП-транзистора

•  
Выравнивание зон
Обеднение
Инверсия
= + +
2
 

24. Зависимость подвижности носителей от температуры и электрического поля

На
поверхностных
состояниях

25. Зарядовое состояние системы кремний-оксид Слон и семеро слепцов Р.Донована

Адсорбирова
нные ионы
Алкильные
ионы
Полярные
молекулы
Галоидные ионы
Протон
ы
Ловушки в
окисле
Кислородные
вакансии

26. Заряды в системе кремний-оксид кремния

Na
+
K+
Qм
Мигрирующий заряд
Qр
Qп
Qпс
Радиационный
заряд
Постоянный заряд
Заряд
поверхностных
состояний
[2]

27. Постоянный заряд

Расположен в оксиде вблизи поверхности кремния (20 А 0)
Всегда положительный
Не зависит от типа проводимости и концентрации примеси в
кремнии
Больший при ориентации поверхности кремния (111)
Не меняется под воздействием внешних электрических полей
Уменьшается при увеличении температуры окисления
Увеличивается при окислении в парах воды
Уменьшается при термообработке в азоте или аргоне
при 400 0С

28. Образование кислородных вакансий

Адсорбция диффузия
химическая
реакция
кислорода кислорода и
кремния
O
Si
Si + 4O = (SiO4)
тетраэдр
Si + 3O = (SiO3)+
кислородная
вакансия

29. Постоянный заряд

Кислородная
вакансия
O
е
+
O
Si
O
O
Si
O
O

30. Почему кислородная вакансия донор

Связь кислородкремний
е
_
_
+
кремний
_
Кислород
50% - ионная,
50% ковалентная

31. Треугольник Дилла

Фиксироанный заряд Q, Jq
(1011 см-2)
Температура
(0С)
[2]

32. Поверхностные состояния в системе кремний-оксид

П
С
ПС
[2]

33. Поверхностные состояния

Расположены на поверхности кремния
Больше при ориентации поверхности кремния (111)
Уменьшаются при окислении в парах воды
Уменьшаются при обработке хлором
Величина и знак заряда зависит от внешнего потенциала
Имеются быстрые и медленные состояния
Увеличивается при избыточной концентрации водорода

34. Свободные связи в объеме окисла кремния

Связь,
блокированн
ая водородом
Свободная
связь
H
[2]

35. Эффект образования горячих носителей

36. Влияние водорода в окисле на плотность поверхностных состояний и захват горячих носителей

Диффуз
ия
Инжекция
носителей
[3]

37. Мигрирующий заряд

Расположен в объеме оксида
Чаще положительный (Na+, K+, H+ )
Уменьшается при введении в оксид фосфора
Увеличивается при нанесении на оксид алюминия и
последующей низкотемпераnурной обработке
Увеличивается при окислении в парах воды
Уменьшается при термообработке в сухом кислороде

38. Оптимизация процесса подзатворного окисления кремния

Компонент
заряда в
системе
кпемнийоксид
На какой
Оптимальная
параметр
температура
МОПТ влияет окисления
Оптимальная
среда
процесса
окисления
Постоянный
заряд
Величина
порогового
напряжения
МОПТ
Высокая
Сухой
кислород
Поверхностны
е состояния
Подвижность
носителей в
канале МОПТ
Низкая
В парах воды

39. Пороговое напряжение МОП-транзистора

Ионная
имплантац
ия примеси
•  
Выравнивание зон
Обеднение
Инверсия
= + +
2
 
Режим окисления: 8000С, пары воды
( пирогенное окисление)

40. Микрофотография МОП структуры

[2]

41. Проблемы подзатворного диэлектрика

Поликремний
Утечки
Диффузия
примесей
Дефекты
Токи утечки
Ток насыщения
Подпороговый ток
Технологические
поколения
Ток через
диэлектр
ик
[1]

42. Токи через диэлектрик

Плотнос
ть тока
Туннельн
ый ток
Токи
утеч
ки
Напряжение на
затворе, В
[1]

43. Влияние азота в окисле на накопленный заряд при положительном смещении

Å
[3]

44. Влияние азота в окисле на накопленный заряд при отрицательном смещении

Толщина окисла, Å
[3 ]

45. Влияние азота в окисле на диффузию бора в диэлектрике

Коэффициент диффузии бора (см2/сек)
Температура
термообработки (0С)
1000/Т
(К-1)
[3]

46. Влияние фтора на диффузию бора в диэлектрике

Температура
термообработки (0С)
Коэффициент диффузии бора
(сек)
Чистый
Оксинитр
SiO
2
ид
Без
фтора
1000/Т
(1/К)
[3]

47. Распределение азота и кислорода в окисле при нитридизации в N2O и NH3 с реокислением

[3]

48. Влияние азота в окисле на короткоканальные эффекты

ΔVt=Vt(L)-Vt(L1мкм)
Чистый окисел
N-МОПТ
оксинитри
д
Длина затвора Lg (мкм)
[3]

49. Причина возникновения обратного короткоканального эффекта

ИИ мышьяка
( активация примеси )
Р
п+
Образование межузельных
атомов кремния
Термообработка
v
v
в в
в
Р
п+
Диффузия межузельных атомов
кремния ускоренная диффузия
бора к поверхности

50. Причина подавления обратного короткоканального эффекта азотом

ИИ мышьяка
( активация примеси )
Термообработка
N
Р
п+
Образование межузельных
атомов кремния
Р
п+
Неподвижные
комплексы
N
N
N
N
N

51. Влияние азота в окисле на плотность поверхностных состояний

Плотность поверхностных состояний
(1010 см-2)
Влияние азота в окисле на плотность
поверхностных состояний
Концентрация азота Npeak
(%)
[3]

52. Влияние азота в окисле на пороговые напряжения МОПТ

V, (В)
Влияние азота в окисле на пороговые
напряжения МОПТ
Концентрация азота
(ат.%)
[3]

53. Зависимость подвижности электронов от концентрации азота в окисле

54. Оптимизация процесса нитридизации окисла по предельно допустимой концентрации азота

Концентрация азота Npeak (%)
Оптимизация процесса нитридизации окисла по
предельно допустимой концентрации азота
Ограничения, связанные с Ограничение из-за
проникновением
короткоканального
эффекта
ограниче
ние
Tox,нм
[3]