Модель асимметричного сдвига порогового напряжения МОП-структур при термополевых обработках

Введение. При термополевых обработках (ТПО) МОП-структур наблюдается нестабильность порогового напряжения, связанная с транспортом подвижных ионов примесей щелочноземельных металлов (в основном Na⁺) в электрическом поле подзатворного диэлектрика. Экспериментальные кинетики накопления и восстановления подвижного заряда при ТПО отклоняются от известных моделей: диффузионной модели Сноу и модели пограничного захвата Хофстейна.
Цель работы. Разработка количественной модели поведения МОП-структур при термополевых обработках в режимах накопления и восстановления подвижного заряда ионной примеси.
Материалы и методы. Модель базируется на анализе кинетики захвата подвижных ионов примеси на полиэнергетические ловушки в объеме аморфного подзатворного диэлектрика. На основе анализа физических процессов составлена система дифференциальных уравнений, которая решается методом конечных разностей по явной и неявной разностным схемам.
Результаты. Из сопоставления расчетов по модели с литературными экспериментальными данными для временных зависимостей смещения порогового напряжения МОП-структур при положительном и последующем отрицательном смещении затвора определены: диапазон энергий связи, характеристическая энергия дисперсии, концентрации ионов примеси и ловушек вблизи затвора и кремниевой подложки, а также ширина области их локализации. Обнаружено уменьшение диапазона энергий связи вблизи межфазной границы SiO₂–Si по сравнению с межфазной границей SiO₂–металлический затвор, что может свидетельствовать о наличии упорядоченного тонкого слоя SiO₂ вблизи кремния.
Заключение. Показано, что процесс восстановления заряда происходит с бóльшей скоростью, чем процесс накопления, вследствие различия в распределениях ловушек вблизи межфазных границ SiO₂ с кремниевой подложкой и с затвором. Предложенная модель позволяет описать экспериментальное асимметричное поведение МОП-структур, загрязненных ионами щелочноземельных металлов при ТПО.

1. Bias temperature instability for devices and circuits / Ed. by T. Grasser. New York: Springer, 2013. 810 p. doi: 10.1007/978-1-4614-7909-3

2. Bias temperature instability of MOSFETs: physical processes, models and prediction / J. F. Zhang, R. Gao, M. Duan, Z. Ji, W. Zhang, J. Marsland // Electronics. 2022. Vol. 11, iss. 9. Art. № 1420. doi: 10.3390/electronics11091420

3. Ion transport phenomena in insulating films / E. H. Snow, A. S. Grove, B. E. Deal, C. T. Sah // J. of Applied Physics. 1965. Vol. 36, № 5. P. 1664–1673. doi: 10.1063/1.1703105

4. Hofstein S. R. An investigation of instability and charge motion in metal-silicon oxide-silicon structures // IEEE Transactions on Electron Devices. 1966. Vol. ED-13, iss. 2. P. 222–237. doi: 10.1109/T-ED.1966.15674

5. Александров О. В., Морозов Н. Н. Влияние ловушек на накопление подвижного заряда в МОП-структурах при термополевых обработках // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2023. Т. 16, № 6. С. 20–28. doi: 10.32603/2071-8985-2023-16-6-20-28

6. Красников Г. Я., Зайцев Н. А. Система кремний–диоксид кремния субмикронных СБИС. М.: Техносфера, 2003. 383 с.

7. Scher H., Montroll E. W. Anomalous transit-time dispersion in amorphous solids // Physical Review B. 1975. Vol. 12, № 6. Art. № 2455. doi: 10.1103/PhysRevB.12.2455

8. Curtis Jr O. L., Srour J. R. The multiple trapping model and hole transport in SiO2 // J. of Applied Physics. 1977. Vol. 48, № 9. P. 3819–3828. doi: 10.1063/1.324248

9. Schmidlin F. W. Theory of multiple trapping // Solid State Communications. 1977. Vol. 22, iss. 7. P. 451–453. doi: 10.1016/0038-1098(77)90123-5

10. Noolandi J. Equivalence of multiple-trapping model and time-dependent random walk // Physical Review B. 1977. Vol. 16, № 10. Art. № 4474. doi: 10.1103/PhysRevB.16.4474

11. Архипов В. И., Никитенко В. Р. Дисперсионный транспорт в материалах с немонотонным энергетическим распределением локализованных состояний // Физика и техника полупроводников. 1989. Т. 23, № 6. С. 978–984.

12. Stagg J. P. Drift mobilities of Na+ and K+ ions in SiO2 films // Applied Physics Let. 1977. Vol. 31, № 8. P. 532–533. doi: 10.1063/1.89766

13. Kriegler R. J., Devenyi T. F. Temperature-bias aging of (HCl) MOS structures // 11th Reliability Physics Symp. Las Vegas, USA, 03–05 Apr. 1973. IEEE, 1973. P. 153–158. doi: 10.1109/IRPS.1973.362587

14. Ordered structure and ion migration in silicon dioxide films / T. Sugano, K. Hoh, K. Kudo, N. Hishinuma // Japan. J. Appl. Phys. 1968. Vol. 7, № 7. P. 715–730. doi: 10.1143/JJAP.7.715

15. Boudry M. R., Stagg J. P. The kinetic behavior of mobile ions in the Al–SiO2–Si system // J. of Applied Physics. 1979. Vol. 50, № 2. P. 942–950. doi: 10.1063/1.326016

16. Hickmott T. W. Thermally stimulated ionic conductivity of sodium in thermal SiO2 // J. of Applied Physics. 1975. Vol. 46, № 6. P. 2583–2598. doi: 10.1063/1.321935

17. Гольдман Е. И., Ждан А. Г., Чучева Г. В. Транспорт свободных ионов в слое диэлектрика и эффекты электронно-ионного обмена у межфазной границы диэлектрик–полупроводник при термостимулированной ионной деполяризации кремниевых МОП-структур // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33, № 8. С. 962–968.

18. Chemical structure of the ultrathin SiO2/Si(100) interface: An angle-resolved Si 2p photoemission study / J. H. Oh, H. W. Yeom, Y. Hagimoto, K. Ono, M. Oshima, N. Hirashita, M. Nywa, A. Toriumi, A. Kakizaki // Physical Review B. 2001. Vol. 63, № 20. Art. № 205310. doi: 10.1103/PhysRevB.63.205310

19. Structural fluctuation of SiO2 network at the interface with Si / Y. Sugita, S. Watanabe, N. Awaji, S. Komiya // Applied Surface Science. 1996. Vol. 100–101. P. 268–271. doi: 10.1016/0169-4332(96)00302-9

20. Стадии формирования границы раздела кремния с термическим окислом / В. В. Монахов, О. В. Романов, С. Н. Кириллов, В. Я. Урицкий, В. А. Смирнов // Физика и техника полупроводников. 1986. Т. 20, № 3. С. 477–480.

21. Infrared studies of transition layers at SiO2/Si interface / H. Ono, T. Ikarashi, K. Ando, T. Kitano // J. of Applied Physics. 1998. Vol. 84, № 11. P. 6064–6069. doi: 10.1063/1.368917

22. Kimura K., Nakajima K. Compositional transition layer in SiO2/Si interface observed by high-resolution RBS // Applied surface science. 2003. Vol. 216, № 1–4. P. 283–286. doi: 10.1016/S0169-4332(03)00386-6

23. Transition Structure at the Si (100)–SiO2 Interface / A. Bongiorno, A. Pasquarello, M. S. Hybertsen, L. C. Feldman // Physical Review Let. 2003. Vol. 90, № 18. Art. № 186101. doi: 10.1103/PhysRevLett.90.186101

24. Smith F. W., Ghidini G. Reaction of oxygen with Si (111) and (100): critical conditions for the growth of SiO2 // J. of the Electrochemical Society. 1982. Vol. 129, № 6. Art. № 1300. doi: 10.1149/1.2124122

25. X-ray scattering studies of the Si–SiO2 interface / P. H. Fuoss, Paul H. Fuoss, L. J. Norton, S. Brennan, A. Fischer-Colbrie // Physical Review Let. 1988. Vol. 60, № 7. P. 600–603. doi: 10.1103/PhysRevLett.60.600

26. Ourmazd A., Taylor D. W., Rentschler J. A. Si→ SiO2 transformation: interfacial structure and mechanism // Physical Review Let. 1987. Vol. 59, № 2. Art. № 213. doi: 10.1103/PhysRevLett.59.213

27. Observation of a Distributed Epitaxial Oxide in Thermally Grown SiO2 on Si (001) / A. Munkholm, S. Brennan, F. Comin, L. Ortega // Physical Review Let. 1995. Vol. 75, № 23. Art. № 4254. doi: 10.1103/PhysRevLett.75.4254

28. X-ray diffraction evidence for the existence of epitaxial microcrystallites in thermally oxidized SiO2 thin films on Si (111) surfaces / T. Shimura, H. Misaki, M. Umeno, I. Takahashi, J. Harada // J. of Crystal Growth. 1996. Vol. 166, № 1–4. P. 786–791. doi: 10.1016/0022-0248(95)00496-3

29. In situ observation of epitaxial microcrystals in thermally grown SiO2 on Si (100) / N. Awaji, Y. Sugita, Y. Horii, I. Takahashi // Applied Physics Let. 1999. Vol. 74, № 18. P. 2669–2671. doi: 10.1063/1.123953

30. Ikarashi N., Watanabe K., Miyamoto Y. High-resolution transmission electron microscopy of an atomic structure at a Si (001) oxidation front // Physical Review B. 2000. Vol. 62, № 23. Art. № 15989. doi: 10.1103/PhysRevB.62.15989

31. Tu Y., Tersoff J. Structure and energetics of the Si-SiO2 interface // Physical Review Let. 2000. Vol. 84, № 19. Art. № 4393. doi: 10.1103/PhysRevLett.84.4393

32. Dreiner S., Schürmann M., Westphal C. Structural Analysis of the SiO2/Si (100) Interface by Means of Photoelectron Diffraction // Physical Review Let. 2004. Vol. 93, № 12. Art. № 126101. doi: 10.1103/PhysRevLett.93.126101