CC BY
39
некоторые особенности деградации моп-структур
под действием у-излучения
А.М. Скворцов, Р.А. Халецкий
Рассматриваются особенности деградации электрофизических параметров структур на основе металл-окисел-полупроводник (МОП) при воздействии гамма-излучения Co60 в зависимости от условий термического окисления. Отмечается, что процессы деградации связаны с эффектами накопления зарядов различных знаков на дефектах границы Si-SiO2.
Введение
Интегральные микросхемы на основе МОП-структур (металл-окисел-полупроводник) находят широкое применение в современной вычислительной технике, и стойкость к воздействию ионизирующего облучения является одним из основных требований, которые к ним предъявляются. В настоящее время уже имеется большое количество работ по влиянию ионизирующего излучения различного вида, в том числе гамма-излучения, на МОП-структуры [1, 2]. Одним из основных вопросов радиационной стабильности является ее связь с технологией получения термического диоксида кремния. Это связано с тем, что процессы деградации при воздействии гамма-излучения во многом определяются структурными и электрофизическими особенностями границы раздела Si-SiO2 [2, 3].
На сегодняшний день не существует однозначной зависимости между режимами термического окисления (состав окислительной среды, температура и время окисления) и характером изменения электрофизических параметров МОП-структур при воздействии гамма-излучения. Это обстоятельство и явилось причиной данного исследования, суть которого заключалась в установлении связи между особенностями кинетики деградации электрофизических параметров МОП-структур при гамма-облучении и технологией термического окисления, а также сопоставлении полученных результатов с известными.
Особенности эксперимента
Подготовка экспериментальных образцов производилась путем термического окисления монокристаллического кремния 76 КЭФ 7,5 (100), выращенного по методу Чохральского, в различных технологических условиях. Верхний электрод (на SiO2) состоял из композиции: Si-поликристаллический, легированный фосфором, и алюминий. Перед проведением процесса термического окисления подложки предварительно обрабатывались в перекисно-аммиачном растворе и смеси Каро. Термическое окисление производилось с добавками хлора методом барботирования через 33% водный раствор HCl. В табл.1 представлены технологические особенности термического окисления.
№ образца Толщина окисла, нм Продолжительность термического окисления, мин Температура окисления, оС Напряжение плоских зон Uro, В
В сухом O2 В парах воды В сухом O2 Суммарное время
1 80 10 100 10 120 850 -1,5
2 120 90 - - 90 1050 -3,5
3 120 10 18 10 38 1000 -1
4 150 120 - - 120 1050 -4,25
Табл.1. Технологические особенности получения экспериментальных образцов
Экспериментальные структуры подвергались воздействию гамма-облучения Со60 с мощностью дозы 0,25 Мрад/час. После каждого этапа облучения длительностью 2 часа измерялись высокочастотные вольт-фарадные характеристики (ВФХ). По смещению по оси напряжений ВФХ после облучения относительно ВФХ до облучения на уровне емкости плоских зон определялся сдвиг напряжения плоских зон ДиПЗ. При этом направление сдвига иПЗ характеризует знак фиксированного заряда в окисле, вызывающего этот сдвиг, а модуль |ДиПЗ| пропорционален его величине [4].
Результаты эксперимента
На рис. 1 представлена кинетика изменения сдвига напряжения плоских зон ДиПЗ при у-облучении. Наблюдается одинаковый характер изменения ДиПЗ, который заключается в том, что при достижении некоторой дозы облучения почти прекращается изменение ДиПЗ (насыщение). Наибольшее значение заряда, индуцированного гамма-облучением, судя по ДиПЗ при дозе около 7 Мрад, наблюдается для окислов, полученных в сухом кислороде. Для окислов, выращенных по схеме комбинированного окисления (сухой О2 - пары воды - сухой О2), наблюдается меньшее по сравнению с «сухим» диоксидом кремния значение радиационно-индуцируемого заряда (РИЗ).
ДШз, В
Рис. 1. Типичные зависимости изменения напряжения плоских зон ДиПЗ от дозы гамма-облучения й для экспериментальных МОП-структур (нумерация образцов 1, 2, 3, 4 -
согласно табл.1)
Из графиков на рис.1 видно, что гамма-облучение индуцирует отрицательный заряд в окисле всех образцов. Этот факт является интересным результатом, так как ранее появление отрицательного РИЗ, причем при различных вариациях режимов термического окисления, не наблюдалось. Однако авторы работы [5] показывают, что иногда при использовании хлора в процессе выращивания окисла в системе БьБЮг после
окисления (без дополнительных высокоэнергетических воздействий) может появляться отрицательный заряд. Авторы [5] связывают появление этого отрицательного заряда с эффектами сегрегации хлора на границе раздела Si-SiÜ2. Это приводит к появлению чужеродных акцепторов, вероятность заряжения которых велика по сравнению с не-мостиковыми атомами кислорода, ответственными за положительный заряд, из-за различия их сродства к электрону V: для хлора значение V составляет 3,8эВ, для немости-кового кислорода V =1,5эВ.
Таким образом, можно предположить, что в системе кремний-окисел при генерации электронно-дырочных пар, вызванной гамма-облучением, происходят одновременные процессы заряжения акцепторных центров электронами и донорных - дырками. При этом акцепторные центры обусловлены хлором [5], а донорные центры - такими дефектами в системе Si-SiÜ2, как немостиковый кислород и трехкоординированный атом кремния [1-3].
В итоге результирующее значение РИЗ в окисле Q можно определить следующим образом:
Q = Q д + Q А , (1)
где Qд - суммарный заряд заряженных доноров (QД > 0), а QA - суммарный заряд заряженных акцепторов (QA < 0) в переходном слое. При этом понятно, что значения зарядов Qд и QA пропорциональны концентрации соответствующих центров. В результате разность концентраций заряженных доноров и акцепторов и определяет значение РИЗ в окисле. Эта разность, в нашем случае, является минимальной для образца, полученного по комбинированной схеме при температуре 1000 °С, и максимальной для образцов с сухим окислом при 1050 °С.
Таким образом, целенаправленно изменяя среду окисления и одновременно корректируя остальные параметры этого процесса, можно добиться взаимной компенсации положительного и отрицательного РИЗ при гамма-облучении, тем самым решив вопрос радиационной стойкости.
Литература
1. Ringel H., Knoll M., Braunig D., Fahrner W.R. Charges in metal-oxide-semiconductor samples of various technologies induced by 60Co-y and x-ray quanta. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. № 2. P. 393-399.
2. Гуртов В.А. Радиационные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник: Учебное пособие. Петрозаводск, 1988. 96 с.
3. Васильева Е.Д., Колотов М.Н., Нахимович М.В., Соколов В.И. Зарядовые состояния переходной области Si-SiÜ2 при радиационной и термополевой обработке. // Микроэлектроника. 2000. Т 29. №1. С. 27-31.
4. Зи С. Технология СБИС. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Мир, 1986. 404 с.
5. Романов О.В., Урицкий В.Я., Яфясов А.М. Влияние факторов формирования структуры Si-SiO2 на ее электрофизические свойства. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1983. № 6. С. 70-76.
