Влияние гамма-излучения на МОП/КНИ-транзисторы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Доклады БГУИР

2016 № 3 (97)

УДК 621.382:539.12.04

ВЛИЯНИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ НА МОП/КНИ-ТРАНЗИСТОРЫ

Ю.В. БОГАТЫРЕВ, С Б. ЛАСТОВСКИЙ, С.А. СОРОКА*, СВ. ШВЕДОВ*, ДА. ОГОРОДНИКОВ

Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению П. Бровки, 19, Минск, 220072, Беларусь

*НТЦ «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл» пл. Казинца, 1, Минск, 220108, Беларусь

Поступила в редакцию 16 ноября 2015

Приведены результаты исследований влияния гамма-излучения Со60 на характеристики тестовых МОП/КНИ-транзисторов с различными конструктивно-технологическими особенностями и электрическими режимами.

Ключевые слова: МОП/КНИ-транзистор, гамма-излучение, радиационная стойкость.

Введение

Технология «кремний на изоляторе» (КНИ) перспективна для производства МОП больших интегральных схем (БИС) с повышенной радиационной стойкостью, особенно к импульсной радиации [1-5]. КНИ-технология рассматривается как вероятная альтернатива применяемым в настоящее время радиационностойким технологиям изготовления БИС. Наличие диэлектрической изоляции и уменьшение размеров активных областей МОП-транзисторов способствует снижению фототоков в микросхемах и позволяет избавиться от тиристорного эффекта при высоких интенсивностях ионизирующих излучений. В качестве КНИ-структуры обычно применяется монокристаллическая кремниевая пленка на слое диоксида кремния. Такие структуры отличаются надежной электроизоляцией, повышенной плотностью упаковки, уменьшением паразитных емкостей [1-5]. Значительную проблему для обеспечения стойкости КНИ-структур к стационарному облучению создает наличие второй границы раздела полупроводник-окисел, которая может иметь плавающий потенциал. Конструктивной особенностью при этом является наличие паразитного транзистора, у которого в качестве подзатворного диэлектрика служит скрытый окисел, затвором является изолированная подложка. Существование второй границы раздела и возможность появления радиационно-индуцированного заряда в изолирующем окисле подложки может привести к образованию проводящего канала на обратной стороне кремниевой пленки [1-5]. Основная проблема при оценке влияния обратного канала обусловлена тем, что, как правило, скрытый окисел бывает «толстым», и к нему не приложено напряжение. Следовательно, для таких структур бывает очень трудно оценить суммарный заряд, который остался после процессов первичной рекомбинации в объеме окисла. Во многих случаях этот заряд сам может формировать электрическое поле, делая задачу самосогласованной. Из-за относительно слабых напряженностей электрического поля радиационно-индуцированный заряд может зависеть от режима работы МОП-транзистора (напряжения сток-исток), а его положение внутри окисла из-за этого может меняться. Цель данной работы: экспериментальные исследования влияния гамма-излучения Со60 на характеристики тестовых МОП/КНИ-транзисторов (рабочих и паразитных) с разными конструктивно-технологическими особенностями (элементов КМОП/КНИ БИС) при различных электрических режимах.

Методика эксперимента

Объектами исследований были тестовые элементы КМОП/КНИ БИС - тестовые МОП/КНИ-транзисторы с каналом «-типа, которые изготавливалась на КНИ-подложках по проектной норме от 0,6 мкм и выше. КНИ-структуры имели толщину эпитаксиальной пленки кремния 0,2-0,3 мкм и скрытого окисла - 0,4 мкм. Тестовые МОП/КНИ-транзисторы имели различные длины канала Ь = 0,6-1,2 мкм при его ширине Ж = 4,8 мкм, а также Н-образную конфигурацию запитки канала. Конструкция разработанных МОП/КНИ транзисторов с Н-образной запиткой канала исключает возможность образования паразитного транзистора по боковой грани островка кремния. Паразитный транзистор может сформироваться между истоком и стоком рабочего транзистора по дну островка (по границе между островком и скрытым изолирующим окислом).

Облучение тестовых образцов гамма-квантами Со60 проводилось на установке «Исследователь» при температуре 300 К. Мощность дозы гамма-излучения составляла 0,2 Гр/с, доза В = 103-2-104 Гр. Дозиметрия гамма-излучения проводилась образцовыми твердотельными стеклянными детекторами ДТС-0.01/1.0 с погрешностью ±7 %.

До и после облучения с помощью автоматизированного измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1/6 измерялись сток-затворные 1в(ио) вольтамперные характеристики (ВАХ) тестовых МОП/КНИ-транзисторов, пороговые напряжения ит и токи утечки 1ь. Радиационные испытания тестовых рабочих и паразитных МОП/КНИ транзисторов проводились при следующем электрическом режиме: на затвор, запитку канала и подложку подается нулевое напряжение, на сток и исток подается положительное напряжение +5 В. Этот режим, согласно литературным данным [6], является самым «жестким». В дополнительном режиме на подложку подавалось отрицательное напряжение и$иъ = -3 В.

Результаты и их обсуждение

Результаты воздействия гамма-излучения на тестовые рабочие и паразитные МОП/КНИ-транзисторы (толщина пленки кремния äst = 0,2 мкм, L = 0,6 мкм) представлены на рис. 1. Сток-затворные ВАХ рабочих транзисторов при облучении значительно изменились: происходит заметное возрастание токов утечки при дозах облучения D > 2^103 Гр (рис. 1, а). У паразитных транзисторов токи утечки изменились незначительно, но происходит большой сдвиг ВАХ (порогового напряжения) в сторону отрицательных напряжений Usub (рис. 1, б).

а б

Рис. 1. Влияние гамма-излучения на ВАХ рабочих (а) и паразитных (б) МОП/КНИ-транзисторов (йъг = 0,2 мкм; ив = +5 В; и&ъ= 0 В); 1 - В = 0; 2 - 1103; 3 - 2-103; 4 - 4-103; 5 - 5-103; 6 - 1,2-104 Гр)

Наблюдается корреляция радиационных изменений ВАХ рабочего и паразитного транзисторов: токи утечки рабочего транзистора начинают резко возрастать, как только ВАХ паразитного транзистора сдвинется в область ивпъ < 0.

Полученные результаты объясняются следующим образом. Под действием ионизирующего излучения в окисле генерируются электронно-дырочные пары. Большая часть образовавшихся электронов и дырок рекомбинирует, но часть дырок захватывается ловушками, расположенными в окисле кремния у границы раздела кремний-окисел [7, 8]. Положительный заряд в окисле на дне островка кремния уменьшает величину порогового напряжения паразитного «-канального транзистора. Электрическое поле в окисле может замедлить или ускорить процесс накопления заряда в окисле на границе раздела кремний-окисел.

Для выяснения причин низкой стойкости паразитного «-канального транзистора было проведено моделирование полей в заглубленном окисле с использованием модуля Atlas программного комплекса компании Silvaco [9]. На рис. 2 показано распределение потенциала в заглубленном окисле «-канального транзистора. Стрелками показано направление дрейфа дырок в поле стока и истока. Видно, что положительное напряжение на стоке и истоке создает в защитном окисле поле, направленное к границе раздела кремний - заглубленный окисел. Под действием этого поля дырки, которые генерируются в окисле во время облучения, дрейфуют к границе раздела кремний-окисел и захватываются на ловушках. Это приводит к уменьшению порогового напряжения паразитного «-канального транзистора и появлению утечек между стоком и истоком рабочего транзистора.

ATLAS Data from soil npar.str

n 114

Si substraste U=OV

—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—

0.2 О.З 0.4 0.5 o.e 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

Microns

Рис. 2. Распределение потенциала в МОП/КНИ-транзисторе (dsi = 0,17 мкм; Ud = Us = +5 B; Usub = 0 B)

Для уменьшения воздействия положительного поля стока были проведены экспериментальные испытания транзисторов при отрицательном смещении подложки. Режим испытаний: напряжения на стоке, истоке +5 В; на затворе, запитке канала 0 В; на подложке -3 В. Результаты испытаний: исходное пороговое напряжение паразитного «-канального транзистора Ut = 37 B (по уровню тока стока Г10-7 А); после облучения дозой Г103 Гр Ut = 9 B; после облучения дозой 2^103 Гр Ut = 0 B. Фактически получен тот же результат, что и без смещения подложки (рис. 1, б).

Для выяснения причин недостаточного влияния смещения подложки на стойкость транзисторов было проведено моделирование полей в окисле со смещением подложки. На рис. 3 приведены результаты моделирования. Видно, что смещение подложки до -3 В уменьшило вертикальное поле в окисле, хотя осталась горизонтальная составляющая поля в окисле у самой границе с кремнием.

ATLAS

Data from soi1_npar1 .str

3.35

Si substrate U IV

~1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.0 О.Э 1 1.1 1.2 1.3

Microns

Рис. 3. Распределение потенциала в МОП/КНИ-транзисторе (äst = 0,17 мкм; Ud = Us = +5 B;

Usub= -3 B)

Для выяснения возможности дополнительного уменьшения влияния потенциала стока было проведено моделирование структуры с более толстой пленкой кремния, когда исток и сток не достигают границы с окислом.

На рис. 4 показано распределение потенциала в заглубленном окисле «-канального транзистора с более толстой пленкой кремния. Стрелками показано направление дрейфа дырок в поле стока и истока. Видно, что в этом случае смещение подложки эффективно подавляет поле стока и истока в заглубленном окисле. Дырки оттягиваются к подложке и не накапливаются на границе с пленкой кремния.

ATLAS

Data from soi1npar4.str

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

О.г 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.0 0.3 1 1.1 1.Z 1.3

Micmns

Рис. 4. Распределение потенциала в МОП/КНИ-транзисторе (äst = 0,22 мкм; Ud = Us = +5 B;

Usub= -3 B)

На рис. 5 показано влияние гамма-излучения на сток-затворные ВАХ рабочих и паразитных МОП/КНИ транзисторов с более толстой пленкой кремния (dsi = 0,3 мкм, Ь = 0,6 мкм). Видно, что ВАХ рабочих транзисторов (токи утечки) изменились незначительно вплоть до максимальной дозы В = 1,2^104 Гр (рис. 5, а), что обусловлено относительно небольшим сдвигом ВАХ паразитного транзистора только в области и$иъ > 0 (рис. 5, б).

а б

Рис. 5. Влияние гамма-излучения на ВАХ рабочих (а) и паразитных (б) МОП/КНИ-транзисторов (dsi = 0,3 мкм, Пи = +5 В; Циъ= -3 В); 1 - В = 0; 2 - 1'103; 3 - 2'103; 4 - 4'103; 5 - 5'103; 6 - 1,2'104 Гр

На рис. 6 представлены дозовые зависимости токов утечки рабочих МОП/КНИ-транзисторов с различной толщиной пленки кремния. Наблюдается резкое увеличение значений 1ь при В > 2^103 Гр у транзисторов с dsi = 0,2 мкм, а в случае dsi = 0,3 мкм ток утечки практически не изменяется во всем исследованном диапазоне доз облучения.

Кроме того, при отрицательном смещении подложки Пзиъ = -3 В величина сдвига порогового напряжения АПг паразитного транзистора еще дополнительно уменьшается с ростом длины канала до Ь = 1,2 мкм (рис. 7). Следовательно, имеется достаточный запас для повышения радиационной стойкости МОП/КНИ-транзисторов с помощью конструктивно-технологических методов.

а=о='

—■— 1 —о— 2

О—о-

—I-'-1-'-1-'-1-'-1-'-1-'-1—

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Р, 104 Гр

-А- 1 —•— 2

—I-■-1-■-1-■-1-■-1-■-1-■-1—

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

1_, цт

35

30

25 -

20 -

Рис. 6. Дозовые зависимости токов утечки рабочих

МОП/КНИ транзисторов с различной толщиной пленки кремния (Пи = +5 В; изиЪ= - В); 1 - dsi = 0,2; 2 - 0,3 мкм

Рис. 7. Изменение порогового напряжения паразитного транзистора в зависимости от длины канала при облучении (dsi = 0,3 мкм; Пи = +5 В; В = 1,2104 Гр); 1 - и^ъ = -3 В; 2 - 0 В

Заключение

Установлено, что в результате воздействия гамма-излучения (В = 103-1,2-104 Гр) при напряжении на стоке и истоке +5 В происходит значительное изменение ВАХ «-канальных МОП/КНИ-транзисторов с толщиной пленки кремния dsi = 0,2 мкм (увеличение токов утечки на

несколько порядков). Более высокую радиационную стойкость (до D = 1,2-104 Гр) показали МОП/КНИ-транзисторы с повышенной толщиной äst = 0,3 мкм. При этом величина сдвига порогового напряжения паразитного транзистора еще дополнительно уменьшается с ростом длины канала от 0,6 до 1,2 мкм. Следовательно, с помощью конструктивно-технологических методов достигается эффективное обеспечение работоспособности МОП/КНИ-транзисторов при воздействии ионизирующего излучения.

Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта Ф15-038.

INFLUENCE OF GAMMA RADIATION ON MOS/SOI TRANSISTORS

Yu.V. BOGATYREV, S.B. LASTOVSKY, S.A. SOROKA, S.V. SHWEDOV, D A. OGORODNIKOV

Abstract

The results of experimental researches of influence of gamma radiation Со60 on test MOS/SOI transistors with different constructive-technologic features and electrical modes are submitted. Keywords: MOS/SOI transistor, gamma radiation, radiation resistance.

Список литературы

1. Claeys C., Stmoen E. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices. Berlin, 2002.

2. Barnaby H.J. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006. Vol. 53. P. 3103-3121.

3. Coltnge J.P. Silicon-On-Insulator Technology: Materials to VLSI. Kluwer Academic Publishers, 1997.

4. Revesz A.G., Hughes H.L. Physical and Technical Problems of SOI Structures and Devices / Ed. by J.P. Colinge, et. al. Kluwer Academic Publishers, 1995.

5. ЧумаковА.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М., 2004.

6. Liu S.T., Fechner P.E., Jenkins W.C., et. al. // Electrochemical Society Proceedings. 2001. Vol. 3. P. 121-126.

7. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Минск, 1986.

8. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М., 1988.

9. SILVACO International. ATLAS User's Manual. Device Simulation Software. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http: // www.silvaco.com. - Дата доступа: 11.08.2015.