Исследование пострадиационного эффекта в МОП-структурах, облученных под напряжением

2

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ

СХЕМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТРАДИАЦИОННОГО ЭФФЕКТА В МОП-СТРУКТУРАХ, ОБЛУЧЕННЫХ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

Ю.В. Смирнов, Р.А. Халецкий Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.М. Скворцов

Приведены результаты исследования процессов изменения электрофизических параметров МОП-структур при их выдержке при комнатной температуре после радиационного воздействия под напряжением смещения на затворе различной амплитуды и полярности. Показано, что пострадиационные процессы связаны с наличием в окисле отжигаемых и неотжигаемых при комнатной температуре дефектов, характеризующихся различным энергетическим положением в запрещенной зоне.

Введение

Стабильность электрических параметров интегральных схем (ИС) типа металл-окисел-полупроводник (МОП) при воздействии ионизирующего излучения в значительной мере определяется свойствами системы затвор-подзатворный окисел-подложка МОП-структуры, составляющей основу конструкции МОП ИС. Ионизирующее излучение приводит к изменению электрофизических параметров МОП-структуры, которое заключается в наведении радиационного встроенного заряда в окисле и увеличении плотности поверхностных состояний на границе раздела кремний-диоксид кремния [1, 2].

После радиационного воздействия в окисле продолжают протекать процессы, обусловливающие дрейф электрофизических параметров МОП-структуры. Это явление носит название пострадиационного эффекта (ПРЭ), сущность которого заключается в термическом выбросе дырок с одних дефектов в окисле и их захвате другими дефектами, которые характеризуются более глубоким уровнем залегания в запрещенной зоне [3]. Захват дырок глубокими дефектами приводит к остаточному сдвигу порогового напряжения транзистора.

В процессе пострадиационного изменения электрофизических параметров возможно несколько вариантов проявления ПРЭ. Первый вариант заключается в значительном увеличении порогового напряжения МОП-транзистора, второй - в возвращении к исходному значению, которое было до облучения, и третий вариант - в уменьшении порогового напряжения относительно начального значения. Какой именно вариант ПРЭ будет реализован, зависит от структурных свойств окисла [4, 5] и внешних условий, в которых осуществляется выдержка МОП-транзистора (температура среды, напряжение на затворе). Однако механизм процесса изменения электрофизических свойств подзатворного окисла после радиационного воздействия остается все еще не до конца изученным. Целью настоящей работы явилось исследование пострадиационного эффекта в МОП-структурах с поликремниевым затвором, подвергавшихся облучению под смещением на затворе.

Постановка эксперимента

Экспериментальные образцы представляли структуры 81-8102-81 -А1. Окисел образцов был сформирован термическим окислением кремниевой подложки марки КЭФ 7,5 (100) в режимах, представленных в таблице. Осажденный при 640°С из 81Н4 слой 81 (0,6 мкм) был легирован фосфором методом термической диффузии в течение 1 ч при температуре 860°С. После получения рисунка контактных площадок в слое 81* методом фотолитографии был проведен окончательный отжиг поликремния при 860°С в течение 30 мин.

Для создания омических контактов термовакуумным напылением на обе стороны пластины был нанесен слой алюминия, в котором с помощью фотолитографии были сформированы контактные площадки. Далее в тексте экспериментальные структуры будут называться тестовыми.

№ образца Толщина окисла, нм Продолжительность термического окисления, мин Температура окисления, С

В сухом 02 В парах воды В сухом 02 Суммарное время

1 80 10 100 10 120 850

2 120 10 18 10 38 1000

3 120 90 - - 90 1050

4 150 120 - - 120 1050

Таблица. Режимы термического окисления при получении окислов экспериментальных

МОП-структур

Тестовые структуры подвергались воздействию гамма-излучения, источником которого являлся Со60 с энергией гамма-квантов 1,3 МэВ и интенсивностью излучения 0,24 Мрад/час. Поглощенная доза составила 0,24 Мрад. При облучении образцы находились под напряжением смещения различной амплитуды и полярности. Знак полярности напряжения смещения соответствует знаку полярности затвора.

Непосредственно после облучения регистрировались высокочастотные вольт-фарадные характеристики (ВФХ) экспериментальных образцов, после чего МОП-структуры выдерживались при комнатной температуре в течение 100 ч. После выдержки проводилось измерение ВФХ.

На основе полученных ВФХ производился расчет изменения плотности встроенного заряда в окисле АQf и плотности поверхностных состояний Дж вызванных воздействием гамма-излучения и выдержкой при комнатной температуре. Изменение плотности встроенного заряда рассчитывалось с использованием выражения AQf=AUмGCo,

где Аи^ - сдвиг ВФХ относительно исходной на уровне емкости См^ соответствующей моменту пересечения уровнем Ферми середины запрещенной зоны кремния, В; С0 - удельная емкость окисла, нФ/см2.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 приведены экспериментальные графики, демонстрирующие изменение встроенного заряда в окисле при облучении и выдержке тестовых структур при комнатной температуре в течение 100 ч после облучения. Из рис. 1 видно, что характер из-

менения радиационно-индуцированного заряда существенно различается для положительной и отрицательной полярностей напряжения на затворе.

При увеличении абсолютного значения напряжения смещения отрицательной полярности наблюдается монотонное увеличение встроенного заряда в окисле. При этом наблюдается корреляция между величиной радиационного изменения встроенного заряда и технологическими режимами формирования подзатворного окисла. В структурах с окислом, полученным комбинированным окислением, наблюдается более интенсивное увеличение положительного встроенного заряда при облучении по сравнению с тестовыми структурами с сухим БЮ2.

Выдержка тестовых структур приводит к уменьшению радиационно-индуциро-ванного заряда. Необходимо отметить, что уменьшение плотности заряда, вызванного облучением при положительном напряжении на затворе, является более интенсивным по сравнению с уменьшением заряда, индуцированного гамма-излучением при отрицательной полярности на затворе.

100

во

60-

дО„ нФ/см

Образец №1

Е, МВ/см

20.

180160140120100806040200-

ДСЗ. нФ/см

Образец №3

Е, МВ/см

180. тво-

им -805040200. -4

160-, 140120-

дО„ нФ/см"

Образец №2

АО нФ/см

Образец №4

40-

Е. МВ/см

Е, МВ/см

после облучения

после выдержки при комнатной температуре

Рис. 1. Графики зависимости изменения встроенного заряда от напряженности поля в окисле для образцов после облучения и выдержки при комнатной температуре

На рис. 2 показаны подобные зависимости для плотности поверхностных состояний. В этом случае при отрицательных смещениях на затворе плотность поверхностных состояний почти не изменяется после выдержки при комнатной температуре, а для образца № 4 с сухим окислом толщиной 0,15 мкм наблюдается значительное увеличение

плотности поверхностных состояний при выдержке тестовых структур при комнатной температуре.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. При гамма-облучении происходит образование неравновесной электронно-дырочной пары, обусловленное переходом электрона из валентной зоны диэлектрика в зону проводимости.

Под действием электрического поля неравновесные носители заряда начинают разделяться в объеме окисла и двигаться в соответствии с полярностью смещения. При положительной полярности на затворе образованные дырки перемещаются к границе раздела, где интенсивно захватываются на напряженные связи, что приводит к увеличению положительного встроенного заряда в окисле и плотности поверхностных состояний. Тот факт, что для образцов, находившихся при положительных смещениях во время облучения, после выдержки при комнатной температуре наблюдается существенное изменение встроенного заряда, свидетельствует о том, что за изменение заряда при облучении отвечают дефекты, характеризующиеся энергетически неглубоким расположением в запрещенной зоне. Эти дефекты легко отжигаются уже при комнатной температуре, а неотжигаемые дефекты приводят к стационарному сдвигу ВФХ.

1.0x10

6,0x10"-

4.0x10-

0.0

эВ" см"'

-1-1-

4 -2

Е, МВ/СМ

1,0x10

6,0x10

4,0x10

2,0x10'

0.0

N... эВ"1СМ"

Образец №1

""-Г"

0

Е, МВ/см

1.0Х101"-

8.0x10м -

6,0x10 4.0x10м-2,0x10м-0.0

1Мд5, эВ~1см2

Образец №3

Е. МВ/см

1.0x10-8.0x10"-6.0x10" 4.0x10"-2,0x10"-0.0

М33< эВ"1ш"2

Образец №4

Е, МВ/см

-2

-Г" -2

—— после гамма облучения

—— после выдержки при комнатной температуре

Рис. 2. Графики зависимости изменения плотности поверхностных состояний от напряженности поля в окисле при облучении и выдержке при комнатной

температуре

При отрицательном напряжении на затворе неравновесные дырки уходят на затвор-катод. Поэтому в процессах дефектообразования, по-видимому, участвуют дырки из инверсионной области кремниевой подложки, которые поставляются в окисел посредством туннелирования. При этом образовавшиеся дефекты характеризуются энергетически глубоким положением в запрещенной зоне окисла, что определяется стабильностью радиационного заряда, за появление которого эти дефекты отвечают.

Заключение

Таким образом, полярность напряжения на затворе МОП-структур при облучении влияет на энергетическое положение дефектов, ответственных за изменение заряда в диоксиде кремния. В свою очередь, характер пострадиационного изменения заряда в окисле МОП-структур определяется энергетическим положением радиационных дефектов, что обусловлено вероятностью термического выброса дырок с этих дефектов в валентную зону кремния.

Литература

1. Гуртов В.А. Радиационные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник: Учебное пособие. Петрозаводск, 1988. 96 с.

2. 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. Р. 393-399.

3. Попов В.Д. Пострадиационный эффект в ИС, неразрушающий контроль качества ИС. // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2002. Вып. 4. С. 36-39.

4. Preffer R.L. Molecular diffusion in a-SiO2: its role in annealing radiation-induced defect centres. // Structure and Bonding in Non-Crystalline Solids. New York: Plenum Press.,

1986. Р. 169-176.

5. Shanfield Z., Moriwaki M.M. Characteristics of hole traps in dry and pyrogenic gate oxides. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1984. V. 31. Р. 1242-1247.