Слайд 2
Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда.
Патент США 1 745 175 на
«метод и устройство управления электрическими токами» с приоритетом от
8 октября 1926 года
Слайд 3
Принцип работы полевого транзистора
Слайд 4
Почему не работал МДП-транзистор
Управляющий электрод
Полупроводник
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные связи) и количеством индуцированных полем носителей
На один носитель - 100 ловушек!
Ловушки – 1014см-2
Носители – 1012см-2
Слайд 5
Разработчики метода пассивации поверхности кремния оксидом
М.Аталла
М.Кант
Слайд 6
Почему стал работать МОП-транзистор
Эффект пассивации
поверхности оксидом (1960-е гг. М. Аталла и Д. Кант
)
Управляющий электрод
Оксид кремния
Кремний
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные связи) и количеством индуцированных полем носителей
На одну ловушку - 10 носителей!
Ловушки – 1011см-2
Носители – 1012см-2
Слайд 7
Почему стал работать МОП-транзистор
Эффект пассивации
поверхности оксидом (1960-е гг. М. Аталла и Д. Кант
)
Управляющий электрод
Оксид кремния
Кремний
Соотношение между поверхностными ловушками (оборванные связи) и количеством индуцированных полем носителей
На одну ловушку - 10 носителей!
Ловушки – 1011см-2
Носители – 1012см-2
Слайд 8
Почему неполная пассивация поверхности кремния
Атомы кислорода
Атомы
кремния
Слайд 9
Пороговое напряжение МОП-транзистора
Слайд 10
Динамика изменения толщины подзатворного окисла
Годы
Толщина окисла (нм )
Минимальный
размер (мкм) Степень интеграции
[ 1 ]
Слайд 11
Проблемы подзатворного диэлектрика
Поликремний
Утечки
Диффузия
примесей
Дефекты
Токи утечки
Технологические поколения
Ток насыщения
Подпороговый ток
Ток через
диэлектрик
[ 1 ]
Слайд 12
Структура оксида кремния
Кислород
кремний
[ 1 ]
Ближний порядок
(тетраэдр)
Мостиковый кислород
Дальний порядок
( угол между связями )
O
O
O Si O Si O
O O
Si – O 1,69 A
50% - ковалентная
50% - ионная
O – O 2,65 A
Si – Si 3,0 A
Расстояние между атомами в тетраэдре
Слайд 14
Структура оксида кремния
Кристаллическое состояние
( d
– 2,62 г/cм3 )
Аморфное состояние
( d – 2,2
г/cм3 )
Дальний порядок
Ближний порядок
Только ближний порядок
Слайд 15
Кристаллические модификации оксида кремния
P
кварц тридимит кристаболит
870 1170 1770 Т 0 C
1430 1580 1400
Угол между связями
Слайд 16
Почему растёт аморфный оксид кремния
Атомы кислорода
Атомы
кремния
Слайд 17
Дефекты аморфного оксида кремния
Отсутствие кремния
Отсутствие кислорода ( кислородная
вакансия.)
Решеткообразующие примеси – замена кремния ( бор, фосфор, сурьма,
мышьяк)
Решеткопреобразующие примеси – замена кислорода ( водород, гидроксил, натрий, калий, алюминий )
5. Кремний в междоузлии
6. Примеси ( ранее перечисленные) в междоузлии
Слайд 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
Слайд 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
Слайд 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
Слайд 21
Структура системы кремний-оксид
Оксид
Кремний
кремния
монокристалл аморфный
Кристаллизованный Аморфизированный
оксид кремний
Слайд 22
Зарядовое состояние системы
кремний-оксид
Слайд 23
Пороговое напряжение МОП-транзистора
Слайд 24
Зависимость подвижности носителей от температуры и электрического поля
На
поверхностных состояниях
Слайд 25
Зарядовое состояние системы кремний-оксид
Слон и семеро слепцов Р.Донована
Адсорбированные
ионы
Галоидные ионы
Кислородные вакансии
Ловушки в окисле
Протоны
Полярные молекулы
Алкильные ионы
Слайд 26
Заряды в системе кремний-оксид кремния
Na+
K+
Qм
Qр
Qп
Qпс
[ 2 ]
Мигрирующий заряд
Радиационный
заряд
Постоянный заряд
Заряд поверхностных состояний
Слайд 27
Постоянный заряд
Расположен в оксиде вблизи поверхности кремния (20
А0)
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
Слайд 28
Образование кислородных вакансий
Адсорбция диффузия
химическая реакция
кислорода кислорода и
кремния
Si + 4O = (SiO4) тетраэдр
Si + 3O = (SiO3)+ кислородная вакансия
Si
O
Слайд 29
Постоянный заряд
O
+
O Si O Si O
O O
Кислородная вакансия
е
Слайд 30
Почему кислородная вакансия донор
+
_
_
_
кремний
Кислород
е
Связь кислород-кремний
50% - ионная,
50% ковалентная
Слайд 31
Треугольник Дилла
Температура (0С)
Фиксироанный заряд Q, Jq (1011 см-2)
[
Слайд 32
Поверхностные состояния в системе кремний-оксид
ПС
ПС
[ 2 ]
Слайд 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
Слайд 34
Свободные связи в объеме окисла кремния
Свободная связь
Связь, блокированная
водородом
[ 2 ]
H
Слайд 35
Эффект образования горячих носителей
Слайд 36
Влияние водорода в окисле на плотность поверхностных состояний
и захват горячих носителей
Диффузия
[ 3 ]
Инжекция носителей
Слайд 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
Слайд 38
Оптимизация процесса подзатворного окисления кремния
Слайд 39
Пороговое напряжение МОП-транзистора
Ионная имплантация примеси
Режим окисления: 8000С, пары
воды ( пирогенное окисление)
Слайд 40
Микрофотография МОП структуры
[ 2 ]
Слайд 41
Проблемы подзатворного диэлектрика
Поликремний
Утечки
Диффузия
примесей
Дефекты
Токи утечки
Технологические поколения
Ток насыщения
Подпороговый ток
Ток через
диэлектрик
[ 1 ]
Слайд 42
Токи через диэлектрик
Плотность тока
Напряжение на затворе, В
Токи утечки
Туннельный
ток
[ 1 ]
Слайд 43
Влияние азота в окисле на накопленный заряд при
положительном смещении
[ 3 ]
Å
Слайд 44
Влияние азота в окисле на накопленный заряд при
отрицательном смещении
[ 3 ]
Толщина окисла, Å
Слайд 45
Влияние азота в окисле на диффузию бора в
диэлектрике
[ 3 ]
Коэффициент диффузии бора (см2/сек)
1000/Т (К-1)
Температура термообработки (0С)
Слайд 46
Влияние фтора на диффузию бора
в диэлектрике
[
3 ]
Оксинитрид
1000/Т (1/К)
Коэффициент диффузии бора (сек)
Чистый SiO2
Температура термообработки (0С)
Без
фтора
Слайд 47
Распределение азота и кислорода в окисле при нитридизации
в N2O и NH3 с реокислением
[ 3 ]
Слайд 48
Влияние азота в окисле
на короткоканальные эффекты
[ 3
]
N-МОПТ
оксинитрид
ΔVt=Vt(L)-Vt(L-1мкм)
Чистый окисел
Длина затвора Lg (мкм)
Слайд 49
Причина возникновения обратного короткоканального эффекта
ИИ мышьяка
Термообработка ( активация примеси )
Образование межузельных атомов кремния
Диффузия межузельных атомов кремния ускоренная диффузия бора к поверхности
Р п+
Р п+
v v
в в в
Слайд 50
Причина подавления обратного короткоканального эффекта азотом
ИИ мышьяка
Термообработка ( активация примеси )
Образование межузельных атомов кремния
Р п+
Р п+
N N N N N
Неподвижные комплексы
N
Слайд 51
Влияние азота в окисле на плотность поверхностных состояний
[
3 ]
Плотность поверхностных состояний (1010 см-2)
Концентрация азота Npeak
(%)
Слайд 52
Влияние азота в окисле на пороговые напряжения МОПТ
[
3 ]
Концентрация азота (ат.%)
V, (В)
Слайд 53
Зависимость подвижности электронов от концентрации азота в окисле