Формирование подзатворного диэлектрика. (Лекция 6)

Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда.

Патент США 1 745 175 на «метод и устройство

Принцип работы полевого транзистора

Почему не работал МДП-транзистор

Управляющий электрод
Полупроводник
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные

Разработчики метода пассивации поверхности кремния оксидом

М.Аталла
М.Кант

Почему стал работать МОП-транзистор

Эффект пассивации поверхности оксидом (1960-е гг. М.

Почему стал работать МОП-транзистор

Эффект пассивации поверхности оксидом (1960-е гг. М.

Почему неполная пассивация поверхности кремния

Атомы кислорода
Атомы кремния

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Динамика изменения толщины подзатворного окисла

Годы

Толщина окисла (нм ) Минимальный размер (мкм)

Проблемы подзатворного диэлектрика

Поликремний

Утечки

Диффузия
примесей

Дефекты

Токи утечки

Технологические поколения

Ток насыщения

Подпороговый ток

Ток через диэлектрик

[ 1 ]

Структура оксида кремния

Кислород
кремний

[ 1 ]

Ближний порядок
(тетраэдр)

Мостиковый кислород

Дальний порядок ( угол между

Ближний порядок

O O
O Si O Si O
O O

Si

Структура оксида кремния

Кристаллическое состояние
( d – 2,62 г/cм3

Кристаллические модификации оксида кремния

P
кварц тридимит кристаболит

870 1170

Почему растёт аморфный оксид кремния

Атомы кислорода
Атомы кремния

Дефекты аморфного оксида кремния

Отсутствие кремния
Отсутствие кислорода ( кислородная вакансия.)
Решеткообразующие примеси –

Последствия локальной кристаллизации аморфного оксида кремния

1. Разрушение решетки оксида
2. Ухудшение маскирующих

Факторы способствующие локальной кристаллизации аморфного оксида кремния

Длительные высокотемпературные обработки
Медленное охлаждение
Трёхвалентные решоткообразующие

Факторы подавляющие локальную кристаллизацию аморфного оксида кремния

Уменьшение температуры и длительности

Структура системы кремний-оксид
Оксид Кремний
кремния
монокристалл аморфный
Кристаллизованный Аморфизированный
оксид кремний

Зарядовое состояние системы
кремний-оксид

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Зависимость подвижности носителей от температуры и электрического поля

На поверхностных состояниях

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

Адсорбированные ионы

Галоидные ионы

Кислородные вакансии

Ловушки

Заряды в системе кремний-оксид кремния

Na+

K+

Qм

Qр

Qп

Qпс

[ 2 ]

Мигрирующий заряд
Радиационный заряд
Постоянный заряд
Заряд поверхностных

Постоянный заряд

Расположен в оксиде вблизи поверхности кремния (20 А0)
Всегда положительный
Не зависит

Образование кислородных вакансий

Адсорбция диффузия химическая реакция
кислорода кислорода и
кремния

Si

Постоянный заряд

O
+
O Si O Si O
O O

Кислородная

Почему кислородная вакансия донор

+

_

_

_

кремний

Кислород

е

Связь кислород-кремний
50% - ионная,
50% ковалентная

Треугольник Дилла

Температура (0С)

Фиксироанный заряд Q, Jq (1011 см-2)

[ 2 ]

Поверхностные состояния в системе кремний-оксид

ПС

ПС

[ 2 ]

Поверхностные состояния

Расположены на поверхности кремния
Больше при ориентации поверхности кремния (111)
Уменьшаются при

Свободные связи в объеме окисла кремния

Свободная связь

Связь, блокированная водородом

[ 2 ]

H

Эффект образования горячих носителей

Влияние водорода в окисле на плотность поверхностных состояний и захват горячих

Мигрирующий заряд

Расположен в объеме оксида
Чаще положительный (Na+, K+, H+ )
Уменьшается при

Оптимизация процесса подзатворного окисления кремния

Пороговое напряжение МОП-транзистора

Ионная имплантация примеси

Режим окисления: 8000С, пары воды ( пирогенное

Микрофотография МОП структуры

[ 2 ]

Проблемы подзатворного диэлектрика

Поликремний

Утечки

Диффузия
примесей

Дефекты

Токи утечки

Технологические поколения

Ток насыщения

Подпороговый ток

Ток через диэлектрик

[ 1 ]

Токи через диэлектрик

Плотность тока

Напряжение на затворе, В

Токи утечки

Туннельный ток

[ 1 ]

Влияние азота в окисле на накопленный заряд при положительном смещении

[ 3

Влияние азота в окисле на накопленный заряд при отрицательном смещении

[ 3

Влияние азота в окисле на диффузию бора в диэлектрике

[ 3 ]

Коэффициент

Влияние фтора на диффузию бора в диэлектрике

[ 3 ]

Оксинитрид

1000/Т (1/К)

Коэффициент диффузии

Распределение азота и кислорода в окисле при нитридизации в N2O и

Влияние азота в окисле на короткоканальные эффекты

[ 3 ]

N-МОПТ

оксинитрид

ΔVt=Vt(L)-Vt(L-1мкм)

Чистый окисел

Длина затвора

Причина возникновения обратного короткоканального эффекта

ИИ мышьяка Термообработка ( активация примеси

Причина подавления обратного короткоканального эффекта азотом

ИИ мышьяка Термообработка ( активация

Влияние азота в окисле на плотность поверхностных состояний

[ 3 ]

Плотность

Влияние азота в окисле на пороговые напряжения МОПТ

[ 3 ]

Концентрация азота

Зависимость подвижности электронов от концентрации азота в окисле