Методы повышения стабильности МДП структур

Получаемый термическим окислением SiO₂, как материал подзатворного диэлектрика соответствующим выбором режима окисления позволяет обеспечить минимальные величины поверхностного заряда и скорости поверхностной рекомбинации. Эти же режимы позволяют получать диэлектрик с минимальной концентрацией объемных ловушек, которая обычно не превосходит 10¹⁶ см^-3. При толщине слоя, в котором могут захватываться носители заряда, не превышающей 2-3 нм, общий заряд на этих ловушках может составлять величину порядка 10¹⁰ см^-2 или несколько более, что вполне приемлемо для цифровых МДП схем. Однако, структура этого материала такова, что в нем наблюдается высокая подвижность некоторых ионов. Практически наиболее опасны загрязнения ионами натрия. Источником этих ионов может служить вся арматура оборудования, в котором проводится окисление, материал затвора и даже воздух гермозон. Отмечено, что степень загрязнения подвижными ионами заметно уменьшается при снижении температуры окисления до 900 – 1000^оС., Этот интервал температур обычно и используются при получении пленок подзатворного оксида.

Большинство других диэлектриков, в частности, Si₃N₄, отличаются крайне малой подвижностью ионов примесей, но концентрация объемных ловушек в них может достигать 10¹⁸ – 10¹⁹ см^-3.

Поэтому главным путем повышения стабильности является использование полученных термическим окислением в сухом кислороде пленок SiO₂ с минимально возможными концентрациями ионов Li и Na, или перевод их в менее подвижное состояние. На практике используют обе идеи.

Для получения особо чистых пленок SiO₂ предлагалось использовать трубы также из особо чистого кварца. Этот метод оказался недостаточно экономичным, поскольку трубы загрязнялись до неприемлемого уровня уже за несколько часов. Предлагалось также использовать двухстенные трубы и промежуток между ними промывать газом, содержащим хлор. Ожидалось, что натрий, попадающий через внешнюю стенку, будет связываться с атомами натрия и выноситься из межстеночного пространства, тем самым предотвращая быстрое загрязнение внутренней трубы. Эта идея в принципе дала положительные результаты, однако, экономически также оказалась неэффективной. Очередным шагом явилось использование окисляющего газа, в который вводился хлор. Этот вариант оказался достаточно продуктивным, однако последующие исследования показали, что повышение стабильности достигается не столько за счет существенного снижения концентрации натрия, сколько за счет перевода его в менее мобильное состояние. Оказалось, что хлор в заметных количествах захватывается растущим оксидом и достаточно прочно связывается с ионом натрия. Благодаря большим размерам ионы хлора оказываются в SiO₂ практически неподвижными и удерживают около себя ионы натрия. Такое “хлорное” окисление существенным образом повышает стабильность структур, однако, не исключает полностью возможность миграции ионов Na при более высоких температурах и напряженностях поля, чем у нелегированного хлором оксида. Оптимальные результаты достигались при концентрации хлора в кислороде порядка 1-3%.

Другой метод связывания ионов натрия был обнаружен при исследовании распределения этой примеси в пленках SiO₂, поверхностно легированных фосфором. Оказалось, что находящийся на поверхности слой ФСС почти полностью экстрагирует ионы натрия из остального объема пленки также, как и в случае с хлором, переводит ионы натрия в существенно менее подвижное состояние. Концентрация фосфора подбирается приблизительно равной концентрации натрия, а слой ФСС обычно формируется на поверхности пленки и имеет сравнительно малую толщину (по сравнению с обшей толщиной пленки диэлектрика).

И “хлорное” окисление, и легирование фосфором полностью не снимают требований к обеспечению чистоты процесса, хотя и заметно смягчают требования к нему. В настоящее время “хлорное” окисление и легирование фосфором являются одними из наиболее распространенных способов повышения стабильности пленок SiO₂ для МДП структур.

В мощных и высоковольных МДП структурах на основе кремния применяют также двухслойные диэлектрические системы. Первым слоем диэлектрика является получаемая термическим окислением пленка SiO₂ толщиной не более 10 нм. Поверх него наносится наносится слой другого материала, обладающий высокой стойкостью к проявлениям ионного дрейфа. В качестве такого слоя используют Si₃N₄, оксиды алюминия, тантала и ряда других металлов. Толщины этих слоев выбираются исходя из требований обеспечения необходимых рабочих напряжений. Двухслойная композиция устойчива к проявлениям инжекционной нестабильности благодаря наличию слоя SiO₂, обладающего малой плотностью ловушек и исключающего захват носителей заряда на ловушки во втором диэлектрике. Миграция ионов возможна только в пределах этого относительно тонкого слоя, и поэтому нестабильность ионного дрейфа также проявляется гораздо слабее, чем в однослойных структурах с SiO₂. Такие двухслойные системы широко используются также в качестве межуровневой изоляции и защитных слоев.