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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/2315| Estudio de las propiedades de conducción del dispositivo Al/Silicio rico en Silicio/Si, y su posible aplicación a celdas de entrada/salida de circuitos integrados Research on the conduction properties of the Al/Silicon rich oxide/Si, and the possibility of apply it as an input/output cell in integrated circuits | |
| Mariano Aceves Mijares | |
| J. Apolinar Reynoso Hernandez Ciro Falcony Guajardo | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Estructura Al/SRO/Si, Obleas de silicio | |
| En este trabajo se estudia las características de conducción eléctrica de la estructura AL/SRO/Si con la intención de aplicarla en protecciones de entrada y salida de los circuitos integrados. Estudiamos las características corriente contra voltaje y capacitancia contra voltaje (I-V y C-V) de estructuras AL/SRO/Si. El SRO se depositó sobre obleas de silicio mediante la técnica de depósito químico en fase vapor (CVD). El exceso de silicio se controló mediante la razón (Ro) de presiones parciales de los gases reactantes. Se estudiaron estructuras con varios Ro´s, diversas concentraciones de substrato y tipo P y N. A diferencia de estudios realizados hasta la fecha, se hicieron mediciones considerando que el SRO es un material que puede atrapar carga. De esta forma se hicieron curvas I-V y C-V con muestras vírgenes, es decir, como terminaron el proceso de fabricación. También con muestras que fueron sometidas a un esfuerzo de voltaje, es decir, se cargaron las trampas de SRO, e inmediatamente después se hicieron las mediciones I-V y C-V. Se hicieron mediciones de la repuesta en frecuencia del dispositivo AL/SRO/Si. Para esta prueba se usó al dispositivo como parte de un circuito pasa altas. Se midió la ganancia y la fase en función de la frecuencia. Los dispositivos fueron sometidos a picos de voltaje. Para esta tarea se usó el modelo del cuerpo humano. Las estructuras fueron capacitores y pads. Los capacitores fueron de área más grande que el de las estructuras de tipo pad. Los pads a su vez se dividieron en dos tipos: con conexión a compuertas de transistores y sin ésta. Las características de capacitancia contra voltaje muestran sistemáticamente una variación de la capacitancia en inversión, además de los corrimientos característicos del atrapamiento de carga. Esta variación se explicó como un intercambio de carga entre la región de inversión en la superficie de Si y la carga atrapada en el SRO. Se propusieron dos métodos de estimar lo que hemos llamado la densidad de trampas activas. De la capacitancia en acumulación se estimó la constante de permitividad. A partir de esta se obtuvo (en conjunto con otro trabajo) un método para determinar el exceso de silicio en el SRO. De las gráficas I-V se encontraron tres componentes de corriente: la primera se presenta a bajos voltajes y es debida al intercambio de carga entre el SRO y el silicio este componente puede ser de signo contrario a lo esperado. La segunda componente se debe a la corriente de desplazamiento propia de un capacitor, y dependiendo de la rapidez de cambio del voltaje dominará, o no sobre la de intercambio. Por último, el régimen de alta corriente que se alcanza después del voltaje de encendido Von, en este caso la corriente se debe al arrastre de electrones que tunelean a través de las islas de silicio. Este componente está controlada por las características de conducción de SRO. La corriente es altamente dependiente del tipo, concentración del substrato y de la Ro. El SRO al cargarse puede llevar a la superficie de silicio a estados que proveen los portadores necesarios para que se produzca la conducción, es decir, el régimen de alta corriente es dependiente en los portadores que se encuentran en la superficie de Si. Experimentalmente se encontró que el régimen de alta corriente se puede saturar. En el estado de saturación de corriente se pueden soportar campos eléctricos muy grandes. La saturación depende del tipo y concentración del substrato de la Ro. Experimentalmente se encontraron los siguientes modos de funcionamiento del dispositivo: como un capacitor MOS tanto en equilibrio como fuera de este; como un conductor con voltaje de encendido variable; como un capacitor que hace contacto a una unión P-N inducida. El funcionamiento de uno u otro modo depende del tipo y concentración del substrato y de la Ro. Para explicar los diferentes modos de funcionamiento se propone que al dispositivo AL/SRO/Si como un nuevo dispositivo al que hemos llamado Capacitor-N-P. A partir de las características de corriente del Capacitor -N-P se propone un método para calcular el tiempo de vida de recombinación y la concentración del substrato. Del estudio de respuestas a la frecuencia y voltajes de rompimiento del dispositivo se encontró que éste soporta voltajes de rompimiento más alta que el del SiO2. También se demostró experimentalmente que cuando el dispositivo se coloca en un pad de entrada, sí proporciona protección contra picos de voltaje. Sin embargo, se debe de realizar todavía bastante trabajo para optimizar la estructura de forma que se alcancen voltajes más altos y mejor respuestas a la frecuencia. In this work we study the conduction properties of the AI/SRO/Si structure aiming at determining if it is possible to use the structure as an input/output protection cell. It was studied the I-V and C-V characteristics of the AI/SRO/Si structure. The SRO was deposited on silicon wafers by CVD, and the excess of silicon was controlled by the ratio Ro of the partial pressure of the reactant gases. Different Ro's, and different substrate's type and concentrations, were used. In this work a non-traditional approach was used to study these devices. The SRO is a memory material, that is, it traps charge. To see the effects of the trapped charge on the I-V and C-V characteristics, the samples were studied both as they were at the conclusion of fabrication process and after voltage stress was applied to charge the SRO before the current and capacitance were measured. The frequency response of the device as a part of an RC circuit was also measured. That is, the gain and the phase as a function of the frequency was measured. Using the Human Body Model, the device was tested against voltage peaks. Two types of devices were studied: Pads that were formed by AI/SRO/Si and were connected to the Gate of transistors, and unconnected capacitors also made with AI/SRO/Si structures with two different areas. We found, experimentally, that the C-V curves show, besides the normal flat band shifting due to trapped charge, a variation of the inversion capacitance as an effect of the trapped charge. This effect was explained as the exchange of charge between the surface and the SRO. From these experimental results, two methods were proposed to estimated the density of what we call the active traps. The capacitance in accumulation was used to calculate the SRO permittivity. Using the permittivity, a method to estimate the SRO excess of silicon was proposed (this was the result of another joint project). It is important to mention that a big variation was observed for the experimental results related to AI/SRO/Si. So to have accurate results it is necessary to measure a large quantity of samples, in such a way that the average really represents the population measured. For the l-V curves, three current components were found. They are the exchange component due to the exchange of charge between the silicon surface and the SRO charge; the normal displacement component; and the high regime current. The first two are observed at low voltages, and depending on the rate of change of the voltage ramp, one or another will dominate. The third one is present after a tum on voltage Von is reached, and is dominated by tunneling trough the silicon islands in the SRO. lt was also found that the surface charge will provide the electrons to sustain the current, but the charge trapped in the SRO will affect the surface charge. So the current is altered by the trapped charge in the SRO. Experimentally, it was observed that the high regime current can saturate. The saturation it related to the Ro and the characteristics of the substrate. The following characteristics of the device's behavior were verified experimentally: lt behaves as an MOS capacitor in and out of equilibrium, also as a conductor with variable Von, and as a device that makes contact to an induced P-N junction. The behavior depends on the SRO Ro and the type and concentration of the substrate. As a device that makes contact to an induced P-N junction, we propose a method to estimate the generation life-time and the concentration of the substrate. Due to the different behavior of the AI/SRO/Si, the structure is proposed as a new device that we call the apacitor-N-P. It behaves as an MOS capacitor in and off equilibrium, as a conductor with a variable VON and as a capacitor that has a contact to an induced P-N junction. Also as an experimental result, it was found that the breakdown voltage of the Capacitor-N-P is higher than the breakdown voltage of the gate oxide, and that the AI/SRO/Si structure positively protects the gate oxide from ESD. However, more work has to be done to increase the breakdown voltage and to improve the frequency response. | |
| CICESE | |
| 1996 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Aceves Mijares, M.1996.Estudio de las propiedades de conducción del dispositivo Al/Silicio rico en Silicio/Si, y su posible aplicación a celdas de entrada/salida de circuitos integrados.Tesis de Maestría en Ciencias.Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California.135 pp. | |
| TECNOLOGÍA DE LAS TELECOMUNICACIONES | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Electrónica y Telecomunicaciones |
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