Исследование гистерезиса вольт-емкостных характеристик структур кремний-окисел с поликремниевым затвором при воздействии ионизирующего излучения

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА ВОЛЬТ-ЕМКОСТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУР КРЕМНИЙ-ОКИСЕЛ С ПОЛИКРЕМНИЕВЫМ ЗАТВОРОМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ А.М. Скворцов, В.И. Соколов, Р.А. Халецкий

В работе приводятся результаты исследования характера изменения гистерезиса вольт-фарадных характеристик (ВФХ) структур 81-БЮ2 с поликремниевым затвором при воздействии гамма-излучения. Показывается, что гистерезис ВФХ, вызванный облучением, связан с процессами обмена неосновными носителями заряда между ловушечными центрами в окисле и кремниевой подложки.

Введение

При эксплуатации интегральных схем (ИС) типа металл-окисел-полупроводник (МОП) в условиях воздействия ионизирующего излучения в окисле протекают деградаци-онные явления, которые заключаются в увеличении плотности встроенного положительного заряда, генерации поверхностных состояний на границе раздела кремний-окисел [1, 2], а также появлении гистерезиса вольт-фарадных характеристик (ВФХ) системы затвор-окисел-подложка [3, 4], который может привести к дрейфу динамических характеристик МОП-транзистора. Исследованию явления гистерезиса ВФХ почти не уделяется внимания, и поэтому его природа остается плохо изученной. Целью настоящей работы явилось исследование гистерезиса ВФХ структуры типа затвор-окисел-подложка, возникающего при воздействии ионизирующего излучения и выявления причины его возникновения.

Сущность эксперимента

Экспериментальные образцы представляли структуры 8ь8Ю2-81*-А1 (рис. 1). Окисел образцов формировался термическим окислением кремниевой подложки марки КЭФ 7,5 (100) в режимах, представленных в таблице. Окисление производилось в хлор-содержащей среде. Варьирование режимов окисления производилось с целью модификации структурных свойств диоксида кремния, которые могут повлиять на характер гистерезиса ВФХ.

Рис. 1. Структура экспериментальных образцов

Осажденный при 640оС из 8Ш4 слой Б1* (0,6 мкм), легировался фосфором методом термической диффузии в течение 1 ч при температуре 860оС. После фотогравировки в слое Б1* производился окончательный отжиг поликремния при 860оС в течение 30 мин. Затем термовакуумным напылением на обе стороны пластины для получения омического контакта наносился слой А1 с последующей фотогравировкой в верхнем слое А1 и отжигом при температуре 450оС в течение 15 мин во влажном азоте. Используемая конструкция экспериментальных МОП-структур и технология их получения являются базовыми при производстве КМОП ИС на одном из предприятий.

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

В сухом 02 Во влажном 02 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 образцов

Экспериментальные структуры подвергались воздействию гамма-излучения, источником которого являлся Со60 с энергией гамма-квантов 1,3 МэВ и интенсивностью излучения 0,24 Мрад/час. До и после облучения измерялись высокочастотные ВФХ экспериментальных образцов из режима аккумуляции в режим инверсии (прямая ветвь) и обратно (обратная ветвь). По сдвигу прямой ветви относительно обратной определялся заряд Qн, обуславливающий этот сдвиг или гистерезис, с использованием следующего выражения:

Qн = СоШн,

где С0 - удельная емкость окисла; Аин = ипрям - иобр, где ипрям, иобр - напряжения смещения прямой и обратной ветвей, соответственно, определяемые на одинаковом уровне емкости из экспериментальных ВФХ. Так как каждому значению высокочастотной емкости МОП-структуры соответствует конкретное значение поверхностного потенциала, то из полученных ВФХ можно получить распределение заряда Qн в запрещенной зоне кремния.

Рис. 2. Схематичное представление перехода между ветвями ВФХ при изменении направления развертки напряжения смещения

Следует отметить особенность в характере появления гистерезиса, наблюдаемого на ВФХ экспериментальных структур до облучения. Эта особенность заключается в

том, что прямая и обратная ветви ВФХ появляются при изменении направления развертки напряжения смещения в любой момент измерения ВФХ, что схематично проиллюстрировано на рис. 2.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рис. 3 приведено энергетическое распределение заряда Qн, обуславливающего появление гистерезиса ВФХ, до и после воздействия гамма-излучения. Следует отметить, что представленное на рис. 3 распределение заряда Qн является типичным для всех экспериментальных структур.

Рис. 3. Типичное энергетическое распределение заряда (ЭН, обуславливающего появление гистерезиса ВФХ, для экспериментальных структур до и после облучения

До облучения амплитуда и отрицательная полярность заряда Qн не изменяются по всей ширине запрещенной зоны. В результате облучения происходят существенные изменения характера распределения заряда Qн, обуславливающего гистерезис: 1) график зависимости распределения QH(Е) становится немонотонным с максимумом вблизи уровня Ферми легированного кремния; 2) заряд Qн изменяет полярность на положительную, что соответствует сдвигу обратной ветви ВФХ влево относительно прямой ветви. Необходимо отметить, что при облучении также изменился характер появления гистерезиса, который заключается в том, что обратная ветвь, при изменении направления развертки напряжения смещения, появляется при условии достижения прямой ветви нижнего плато, что соответствует режиму инверсии. Прямая же ветвь ВФХ появляется при условии достижения обратной ветви верхнего плато, соответствующего режиму аккумуляции.

Положительная полярность заряда Qн, вызванного гамма-излучением, соответствует полярности неосновных носителей заряда подложки - дырок. Для подтверждения того, что полярность заряда Qн определяется полярностью неосновных носителей заряда, был поставлен дополнительный эксперимент. Сущность эксперимента заключается в термическом выращивании окисла на кремнии дырочной проводимости марки КДБ

1 (100) и облучении полученной структуры. На рис. 4 схематично показано, как при облучении изменяется гистерезис ВФХ для экспериментальных структур с различным типом проводимости подложки.

Из рис. 4 видно, что в процессе облучения происходит сдвиг обратной ветви ВФХ относительно прямой. При этом направление сдвига, эквивалентно появлению дополнительного заряда, полярность которого соответствует знаку неосновных носителей заряда: дырок для кремния электронного типа проводимости и электронов для дырочного кремния. Таким образом, с учетом описанного выше обстоятельства, а также того факта, что гистерезис проявляется при достижении определенных режимов изгиба энергетических зон кремния, можно привести схему появления гистерезиса с использованием зонной диаграммы МОП-структур.

Рис. 4. Изменение гистерезиса ВФХ для МОП-структур с различным типом проводимости кремниевой подложки при воздействии гамма-излучения

Исходное энергетическое состояние представлено на рис. 5 а. При подаче напряжения, соответствующего режиму аккумуляции на поверхности кремния, зоны изогнуты таким образом, что электроны из зоны проводимости под действием поля туннели-руют в окисел, где захватываются ловушечными центрами.

При изменении напряжения в сторону инверсии поверхности кремниевой подложки, происходит постепенное изменение изгиба зон, которое не влияет на зарядовое состояние ловушек (рис. 5 б). При достижении глубокой инверсии, зоны изгибаются так сильно, что обеспечивается туннельный обмен носителями зарядов между кремнием и ловушками в окисле (рис. 5 в). При этом может происходить захват дырок на ловушки и выброс электронов в валентную зону полупроводника. Эти явления обмена

зарядами в любом случае можно охарактеризовать как уменьшение отрицательного заряда на ловушках или увеличение положительного заряда.

Рис. 5. Схема образования гистерезиса ВФХ для МОП-структур с различным типом проводимости кремниевой подложки при воздействии гамма-излучения

В итоге подобное изменение заряда на ловушках эквивалентно сдвигу ВФХ в сторону отрицательных напряжений, что и наблюдается при снятии обратной ветви ВФХ. При достижении напряжения смещения, соответствующего режиму аккумуляции на поверхности кремния, вновь происходит захват электронов из зоны проводимости и выброс дырок с уровней ловушек.

Представленная схема образования гистерезиса ВФХ для экспериментальных структур на кремнии п-типа действует и для структур на основе дырочного кремния, с тем отличием, что гистерезис ВФХ является отрицательным и обусловлен захватом электронов в режиме инверсии.

Заключение

Ионизирующее излучение стимулирует появление в окисле ловушечных центров, которые обладают способностью обмениваться с подложкой носителями заряда при определенном условии изгиба энергетических зон кремния. При этом полярность заряда, обуславливающего сдвиг обратной ветви ВФХ относительно прямой, определяется полярностью неосновных носителей заряда. Таким образом, различный характер проявления гистерезиса для п- и р-канальных МОП-транзисторов, возникающего при воз-

действии ионизирующего излучения, необходимо учитывать в технологии и при конструировании МОП и КМОП ИС, работающих в полях радиационного воздействия.

Литература

1. Гуртов В.А. Влияние ионизирующего излучения на свойства МДП-приборов. Обзоры по электронной технике. 1978. Серия 2. Выпуск 14. 34 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. Урицкий В.Я. Формирование и электрофизические характеристики многослойных структур на основе системы кремний-диоксид кремния: Диссертация на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 1995. 341 с.

4. D. M. Fleetwood, R. A. Reber Jr., L. C. Riewe, P. S. Winokur. Thermally stimulated current in SiO2 // Microelectronics Reliability. 1999. Vol. 39. Р. 1323-1336.