CC BY
96
УДК 621.38.53
B. В. Андреев, А. А. Столяров, М. С. В а с ю т и н, А. М. Михальков
АКТИВНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СЕНСОРА РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ МДП-СТРУКТУР С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ
Описана конструкция активного чувствительного элемента сенсора радиационных излучений на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник с наноразмерными диэлектрическими слоями. На основе экспериментальных исследований влияния различного вида облучения на такие структуры, находящиеся в режиме сильнополевой туннельной инжекции, показано, что диэлектрические слои структур металл-диэлектрик-полупроводник могут применяться для регистрации ионизирующих излучений. Определены преимущества и недостатки применения диэлектрических слоев таких структур для регистрации заряженных частиц и разработаны рекомендации по их использованию.
E-mail: andreev@bmstu-kaluga.ru; p1kf@bmstu-kaluga.ru
Ключевые слова: сенсор, радиационное излучение, МДП-структура, на-норазмерная диэлектрическая пленка, контроль, микросистемная техника.
В атомной и ядерной физике, медицине, космофизике, геофизике, радиобиологии и других областях науки приходится решать задачи, связанные с регистрацией заряженных частиц с высокими и низкими ионизирующими способностями (электронов, протонов, альфа-частиц, ионов, осколков деления ядер и т.д.). Эти задачи решаются с использованием как газоразрядных [1], так и твердотельных сенсоров [1-3]. Однако применяемые традиционные сенсоры имеют определенные недостатки. Наибольшее развитие из полупроводниковых поверхностно-барьерных и диффузионных сенсоров получили пла-нарные детекторы с р+-п-переходами, создаваемыми либо методом ионной имплантации (PIPS-детекторы), либо методом мелкой диффузии (PDPS-детекторы) [1]. Но при высоком фоне ионизирующих излучений их эффективность недостаточна. Так, при потоках а-частиц, превышающих 108 см-1, полупроводниковые сенсоры не позволяют выделить осколки деления. Проведенный анализ показывает, что в настоящее время одним из перспективных направлений регистрации радиационных излучений является использование тонкопленочных датчиков на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), представляющих собой структуру из тонкого (~10... 70 нм) металлического внешнего электрода, нанесенного на диэлектрик толщиной
30... 200 нм, и высокоомного полупроводника. Однако их возможности далеко не полностью раскрыты. В МДП-системах наблюдаются такие явления, как зарядовая нестабильность, сильнополевая туннельная инжекция, релаксация неравновесной емкости [4-7], которые могут использоваться для регистрации радиационных излучений и заряженных частиц. Применение этих явлений наряду с пробоем позволяет более широко использовать возможности МДП-структур и создать многофункциональный сенсор, сочетающий в себе достоинства полупроводниковых сенсоров радиационных излучений и тонкопленочных пробойных счетчиков.
Одним из путей снижения энергетического порога чувствительности сенсоров заряженных частиц является использование не только ионизационных процессов в полупроводнике, но и процессов генерации носителей в диэлектрических слоях на поверхности полупроводникового сенсора. Следует отметить, что ионизационно-генерационные процессы, происходящие в наноразмерных диэлектрических слоях, находящихся в специальных токополевых режимах, исследованы в настоящее время недостаточно. В большинстве работ, посвященных данной тематике, показано, что в диэлектрических слоях действуют электрические поля, далекие от пробивных и исключающие возможность переноса заряда [1, 2, 5].
В настоящей работе с использованием специального активного чувствительного элемента сенсора радиационных излучений на основе МДП-структур, совместимого с изделиями микросистемной техники, изучена возможность регистрации радиационных излучений на основе анализа ионизационных процессов, протекающих в тонких наноразмерных диэлектрических слоях. Исследования проводились с использованием облучения а-частицами, протонами и нейтронами.
Разработанный элемент сенсора заряженных частиц выполнен по технологии, совместимой с технологией изготовления изделий микросистемной техники, на кремниевой полупроводниковой пластине диаметром 100 мм, и имеет размеры 4 х х4мм. Топология чувствительного элемента детектора заряженных частиц на основе МДП-структур приведена на рис. 1. На его поверхности
Рис. 1. Топология чувствительного элемента сенсора радиационных излучений на основе МДП-структур
сформированы шестнадцать МДП-структур различной площади, имеющие выводы на контактные площадки, позволяющие проводить их электрическую коммутацию. К контактным площадкам подключается оборудование измерения параметров, задающее электрический режим работы сенсора и регистрирующее параметры и характеристики радиационных излучений. Исследуемые МДП-конденсаторы формировались на пластинах КЭФ-4,5 с кристаллографической ориентацией <100>. Низкоомный полупроводник специально выбран для удобства создания сильнополевых инжекционных режимов при изучении ионизационных процессов, протекающих под действием облучения, в на-норазмерных диэлектрических пленках. Диоксид кремния толщиной 20... 100 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 1000 °С с добавлением 3% HCl. Верхние электроды формировались с использованием фотолитографии по алюминиевой пленке, напыленной магнетронным методом. После формирования Al-электродов проводили отжиг в среде азота при температуре 475 °С. Для удобства контактирования и использования полученные кристаллы можно разваривать в корпуса интегральных микросхем, для чего все контактные площадки сформированы на толстой пленке SiO2, а также имеются планарные контакты к подложке.
Во время облучения к МДП-структуре прикладывается импульс постоянного тока, обеспечивающий заряд емкости структуры и режим сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик. Амплитуда импульса тока выбирается, исходя из условия незначительной зарядовой деградации МДП-структуры, обусловленной инжекци-ей электронов в течение всего измерительного цикла, а также получением необходимой чувствительности датчика. Мониторинг радиационного излучения проводится по изменению временной зависимости напряжения на структуре в режимах заряда и разряда емкости, а также в режиме протекания постоянного сильнополевого инжекционного тока через диэлектрическую пленку [6-9].
Экспериментальные результаты и обсуждение. В целях определения возможности использования наноразмерных диэлектрических слоев МДП-структур в качестве чувствительного элемента сенсора заряженных частиц проводилось облучение экспериментальных образцов а-частицами, нейтронами и протонами. Все структуры испытыва-лись при положительной полярности металлического электрода, что позволяло создать в полупроводнике МДП-структуры режим обогащения и исключить влияние полупроводника на перенос заряда через МДП-структуры, который в этом случае определялся только свойствами инжектирующей границы раздела и объемом диэлектрической пленки.
Для исследования влияния а-частиц на МДП-структуры, находящиеся в режиме сильнополевой инжекции носителей в диэлектрик, сенсоры на основе МДП-структур подвергались воздействию излучения источника 239Ри. Мощность потока а-частиц составляла 1010 с-1 •см-2. Плотность инжекционного тока, пропускаемого через МДП-структуру во время регистрации облучения, составляла 7-10-9... 10-6 А/см-2; МДП-структуры располагались на расстоянии нескольких миллиметров от источника облучения.
На рис.2 показаны типичные временные зависимости напряжения на МДП-структуре, измеренные в режиме протекания постоянного инжекционного тока при воздействии а-частиц. Воздействие а-излучения приводит к существенному снижению напряжения при плотности инжекционного тока 7-10-9 А/см-2 и к незначительному уменьшению напряжения при плотности тока 10-6 А/см-2. Снижение напряжения обусловлено возникновением под действием а-излучения ионизационного тока и, как следствие, уменьшением инжекционного тока. На рис. 3 показана зависимость плотности тока ионизации в диэлектрической пленке исследуемых МДП-структур от напряженности электрического поля [8]. Как следует из рис. 3, плотность тока ионизации растет с увеличением напряженности электрического поля, однако инжекционный ток экспоненциально зависит от напряженности электрического поля и, следовательно, для регистрации радиационных излучений целесообразно использовать небольшие плотности инжек-ционного тока, соизмеримые с плотностью тока ионизации. После прекращения действия а-облучения напряжение на МДП-структуре возвращается к значениям, наблюдавшимся до облучения (см. рис. 2),
Рис.3. Зависимость плотности тока ионизации в диэлектрической пленке МДП-структуры при воздействии а-излучения от напряженности электрического поля. Сильнополевая туннельная инжекция электронов начинается в электрических полях напряженностью более 5 МВ/см
0
Рис. 2. Временная зависимость напряжения на МДП-структуре при протекании через диэлектрик постоянного инжекционного тока плотностью 7 • 10-9 А/см2 (2-5); 10-6 А/см2 (6-8). Участки 2,4,7 соответствуют облучению а-частицами
что свидетельствует об отсутствии заметных деградационных процессов в диэлектрической пленке [4, 7].
При исследовании влияния нейтронного излучения на МДП-структуры, находящиеся в режиме сильнополевой туннельной инжекции, экспериментальные образцы подвергались воздействию излучения радионуклидно-го источника238Ри-Ве со спектром
Рис. 4. Высоковольтный участок временной зависимости напряжения на МДП-структуре при протекании через диэлектрик постоянного инжекционного тока плотностью 710 - 9 А/см2. Участок, соответствующий облучению нейтронами, показан стрелками
нейтронов гомогенного типа (плавно изменяющийся спектр с энергией до 11 МэВ). Мощность потока нейтронов составляла 4-108 с-1 •см-2. Плотность инжекционного тока, пропускаемого через диэлектрик МДП-структуры во время регистрации излучения, составляла 7-10-9 А/см-2.
Перед началом облучения к МДП-структуре прикладывался импульс постоянного тока, обеспечивающий заряд емкости структуры и установление режима сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик. Регистрация нейтронов проводилась по изменению временной зависимости напряжения на структуре в режиме протекания постоянного инжекционного тока (рис.4). Установлено, что прохождение потока нейтронов через диэлектрическую пленку МДП-структуры вызывает уменьшение напряжения, падающего на структуре в режиме протекания постоянного инжекционного тока. Показано, что под действием излучения источника 238Ри-Ве (см. рис.4) в диэлектрике МДП-структуры наблюдается накопление положительного заряда, и напряжение на МДП-структуре после облучения уменьшается по сравнению со значениями до облучения.
Облучение протонами проводили на экспериментальной установке НИИЯФ МГУ им.М.В.Ломоносова, созданной на базе ускорителя КГ-500 [9]. Различные области поверхности полупроводниковой пластины, содержащей сформированные МДП-структуры, облучались протонами с энергией 500 кэВ.
Перед началом эксперимента подсоединенные к схеме измерения образцы были закреплены внутри ускорителя на барабане, поворотом которого можно было помещать нужный образец в активную зону. Через вакуумный разъем образцы соединяли с измерительной установкой, что позволяло проводить контроль их электрофизических характеристик непосредственно в процессе облучения [9].
Перед началом облучения к МДП-структурам, установленным в камере ускорителя, прикладывали импульс постоянного тока и добивались их перехода в режим сильнополевой по Фаулер-Нордгейму
Рис. 5. Временная зависимость напряжения на МДП-структу-ре, измеренная в режиме протекания через диэлектрик постоянного инжекционного тока плотностью 10-5 А/см2, при облучении пучком протонов двумя импульсами. На участках 1,3 и 5 облучение отсутствует, на участках 2 и 4 осуществлялось облучение протонами
туннельной инжекции электронов из кремния в диэлектрик. Находящиеся в режиме инжекции МДП-структуры облучали пучком протонов короткими импульсами. Для этого ток луча протонов уменьшали до минимально возможного значения, что составило 5•Ю-9 А/см2. Одновременно снималась временная зависимость напряжения на структуре.
Структура была переведена в режим инжекции при постоянной плотности тока 10-5 А/см2, и проводилось облучение образца двумя импульсами протонов (рис. 5). Как следует из рис. 5, чувствительность структуры оказалась довольно высокой даже при плотности инжекционного тока 10-5 А/см2. Понижая плотность инжекционного тока, можно на несколько порядков увеличить чувствительность сенсоров на основе МДП-структур к воздействию протонного облучения.
В полупроводниковых детекторах рабочая точка находится на участке протекания обратного тока, который достаточно слабо зависит от напряжения и определяется генерацией носителей в области пространственного заряда и на границе раздела, диффузией носителей и поверхностными токами. Значение обратных тепловых токов полупроводниковых детекторов составляет несколько наноампер на квадратный сантиметр.
В рассматриваемых МДП-структурах рабочая точка находится на участке туннельного тока, экспоненциально зависящего от напряженности электрического поля. Если МДП-структура находится в режиме постоянного тока, то при появлении сигнала излучения рабочая точка будет смещаться в область более низких токов, при этом будут уменьшаться и шумы МДП-структур. Темновые токи МДП-структур ограничиваются в большей степени возможностями снятия и обработки сигнала и могут составлять 10-12 .. .10-14 А. Следовательно, дифференциальная чувствительность детектора на основе МДП-структур будет возрастать с увеличением сигнала, а чувствительность будет ограничиваться распределением частиц по энергии и энергией ионизации.
В полупроводниковых сенсорах (ППС) тепловой ток (1т) складывается с током ионизации (1ион) и, следовательно, ограничивает чувствительность и вносит погрешности в результаты измерений, так как
тепловой ток сильно зависит от температуры и может изменяться под действием радиационных излучений:
^ППС = 1т + ^ион.
В сенсорах на основе МДП-структур, работающих в условиях постоянного тока в стационарном режиме при /инж ^ /ион, регистрируемый ток будет равен только /ион:
/0 = ^инж + ^ион (прИ /ион < /0)';
10 = /ион (при /ион > /с),
где /0 — постоянный ток, пропускаемый через МДП-структуру; /инж — ток инжекции; /ион — ток ионизации, возникающий в МДП-структуре под действием излучения.
Уравнение токов в МДП-структуре, находящейся в режиме постоянного тока, будет иметь вид
/0 = /инж /ион + /с, (1)
где /с — емкостный ток.
При условии /ион ^ /инж, которое выполняется, если напряжение на МДП-структуре не обеспечивает возникновения инжекции электронов (напряженность электрического поля меньше 5 МВ/см), уравнение (1) можно переписать в виде:
/0 ~ /ион + /с. (2)
Тогда ток ионизации будет равен
дУ
/ион - /с - с—. (3)
аЬ
С использованием уравнения (2) были определены токи ионизации на участках спада напряжения на МДП-структурах под действием протонов с энергией 500 кэВ (см. рис. 5). Проводились оценки коэффициента ионизации в пленке диоксида кремния, который определялся как отношение плотности тока ионизации /ион/Б к плотности тока протонов.
Плотность тока протонов равна
Зр = <1Мр,
где N — плотность потока протонов, с-1-см-2; д — заряд электрона.
Число электронно-дырочных пар, образующихся в диэлектрике при пролете одного протона, определяется как [10, 11]
АЕ АЕ ,
¿Е
где —--тормозная способность диоксида кремния; р — плотность
ах
диоксида кремния; Е — потери энергии частицами в слое толщиной ¿; АЕ — энергия ионизации.
Для МДП-структур, использующихся в эксперименте, N « 400. Плотность тока ионизации равна
¿ион = я[(п - щ - щ) + (р - Рр - Рг)]
(где п,р — плотность электронов и дырок, появившихся в результате ионизации; пр, рр — плотности рекомбинировавших электронов и дырок; пг, рг — плотности электронов и дырок, захваченных на ловушки в диэлектрике),
¿ион = q[2(NpN - Пг) - щ - Рг].
Если пренебречь процессами рекомбинации и захвата носителей, то
¿ион = .
Тогда коэффициент ионизации будет равен
К. = М^ = ™ . ........
Полученные данные указывают на то, что найденные экспериментальные значения коэффициента ионизации в 2,6-3,5 раза превышают максимальные значения Ки.
Увеличение коэффициента ионизации может быть связано с двумя факторами.
Во-первых, за счет затягивания в оксид вторичных электронов из электродов. Во-вторых, наблюдаемое увеличение тока, протекающего через диэлектрик, может быть связано с накоплением дырок в оксиде вследствие их малой подвижности и образования у границы раздела диэлектрик-полупроводник объемного положительного заряда, снижающего потенциальный барьер на инжектирующей границе раздела.
Для окончательного выяснения причин наблюдаемых завышенных значений коэффициента ионизации требуются дополнительные исследования.
Нет оснований ожидать, что носители, появившиеся в диэлектрической пленке МДП-структуры при движении в диэлектрике, смогут вызвать интенсивные ионизационные процессы. В последнее время в результате экспериментальных и теоретических исследований дегра-дационных явлений в диоксиде кремния [12] получены новые данные о распределении горячих электронов в БЮ2 по энергии, которые позволили уточнить описание сильнополевого переноса и ударной ионизации в диоксиде кремния. В полученных распределениях электронов по энергиям в диоксиде кремния наблюдаются высокоэнергетические
хвосты, способные вызвать межзонную ударную ионизацию в диоксиде кремния.
Несмотря на то, что напряженность электрического поля в диэлектрике может достигать 10МВ/см, коэффициенты ионизации, как показывает моделирование на основе модели, представленной в работе [12], не превышают 10-2 .. .10-1. Поэтому не следует ожидать существенного усиления тока ионизации в диэлектрической пленке. Расчеты, проведенные в работе [12], показывают, что энергия электронов в диоксиде кремния не может превышать 10... 15 эВ.
С этой точки зрения, перспективным представляется использование диэлектрической пленки совместно со слоем обедненного полупроводника. В диэлектрике, находящемся в сильном электрическом поле или в режиме инжекции, будут происходить ионизационные процессы под действием заряженных частиц. Число электронно-дырочных пар, образующихся в диэлектрике, будет равно числу частиц или незначительно превышать его. В диэлектрике под действием сильного электрического поля электроны, появившиеся в результате ионизации, будут немного увеличивать свою энергию и выбрасываться полем в обедненный слой полупроводника, где и будет происходить основное усиление ионизационного тока.
Ввиду малой толщины диэлектрика процессами рекомбинации и захвата носителей на ловушки в диэлектрике можно пренебрегать, по крайней мере, до тех пор, пока не возрастут концентрации электронных и дырочных ловушек в результате протекания деградационных процессов под действием радиационных излучений. При этом наиболее опасной представляется ситуация, когда такие частицы, как протоны и а-частицы будут тормозиться непосредственно в диэлектрике.
Выводы. Показано, что ионизационные процессы, протекающие в наноразмерных диэлектрических пленках МДП-структур, можно использовать для регистрации радиационных излучений. Наиболее эффективно эти процессы проявляются при воздействии заряженных частиц (а-частиц, протонов).
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что сенсоры радиоактивных излучений на основе МДП-структур имеют следующие преимущества по сравнению с известными полупроводниковыми детекторами:
— меньший энергетический порог регистрируемых частиц (единицы килоэлектрон-вольт), за счет меньшей толщины мертвой зоны;
— меньший темновой ток, который ограничивается не свойствами детектора, а возможностями измерительной системы;
— возможность использования объекта исследований в качестве верхнего электрода, что позволяет практически исключить мертвую зону;
— низкая стоимость и возможность работы в атмосферных условиях.
Сенсоры заряженных частиц на основе МДП-структур могут найти применение для регистрации низкоэнергетических частиц, которые не регистрируются полупроводниковыми детекторами.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (ГК№ П470).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике / Под ред. Ю.К.Акимова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -433 с.
2. Маренный А. М. Диэлектрические трековые детекторы в радиационно-физическом и радиобиологическом эксперименте. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
- 387 с.
3. Смирнов А. Н., Эйсмонт В. П. Тонкопленочные пробойные счетчики (обзор) // ПТЭ. - 1983. - № 6. - С. 5.
4. А н д р е е в В. В., Б а р ы ш е в В. Г., Столяров А. А. Инжекционные методы исследования и контроля структур металл-диэлектрик-полупроводник: Монография. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 256 с.
5. Першенков В. С., Попов В. Д., Шальнов А. В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 256 с.
6. А н д р е е в В. В., Барышев В. Г., Б о н д а р е н к о Г. Г., Столяров А. А. Метод многоуровневой токовой нагрузки для исследования генерации и релаксации положительного заряда в МДП-структурах // Микроэлектроника. - 2003. - T. 32, № 2. - С. 152-158.
7. Андреев В. В., Барышев В. Г., Бондаренко Г. Г., Столяров А. А., Ш а х н о в В. А. Исследование зарядовой деградации МДП-структур в сильных электрических полях методом управляемой токовой нагрузки // Микроэлектроника. - 2000. - T. 29, № 2. - С. 105-112.
8. Андреев B. В., Бондаренко Г. Г., Лычагин А. А., Столяров А. А., Ульяненко С. Е. Радиационная ионизация в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в режиме сильнополевой инжекции электронов // Физика и химия обработки материалов. - 2006. - № 5. - С. 19-23.
9. А н д р е е в B. В., Б е д н я к о в А. А., Б о н д а р е н к о Г. Г. и др. // Физика и химия обработки материалов. - 2001. - № 3. - С. 5-11.
10. O l d h e m T. R., McGarrity J. M. Ionization of SiO2 by heavy charged particles // IEEE Transaction on Nuclear Science. - 1981. - Vol. NS-28. No. 6. -P. 3975-3980.
11. D o z i e r C. M., B r o w n D. B. Effect of photon energy on the response of MOS devices // IEEE Transaction on Nuclear Science. - 1981. - Vol. NS-28. No. 6. -
P. 4137-4141.
12. A r n o l d D., C a r t i e r E., D i M a r i a D. J. Theory of high-field electron transport and impact ionization in silicon dioxide // Phys. Rev. B. - 1994. - Vol. 49. No. 15. - P. 10278-10297.
Статья поступила в редакцию 6.05.2010
